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JP7725821B2 - Method for manufacturing substrates on which nerve cells are arranged - Google Patents

Method for manufacturing substrates on which nerve cells are arranged

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JP7725821B2
JP7725821B2 JP2020217760A JP2020217760A JP7725821B2 JP 7725821 B2 JP7725821 B2 JP 7725821B2 JP 2020217760 A JP2020217760 A JP 2020217760A JP 2020217760 A JP2020217760 A JP 2020217760A JP 7725821 B2 JP7725821 B2 JP 7725821B2
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Description

本発明は、神経細胞が配置された基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate on which nerve cells are arranged.

神経細胞は生体内でネットワークを形成し機能的につながった状態で活動している。脳機能の解明や、神経系疾患への毒性評価、創薬開発等において、生体内の神経細胞の活動状態を、インビトロでなるべく正確に再現することは、試験結果の外挿性(臨床データとの相関性)を高めるうえで重要と考えられている。 Nerve cells form networks in the body and function in a functionally connected state. In elucidating brain function, evaluating toxicity in nervous system diseases, and drug development, reproducing the activity of in vivo nerve cells as accurately as possible in vitro is considered important in order to increase the extrapolation of test results (correlation with clinical data).

このためには、任意の神経細胞を所定の位置に配置し、且つ該神経細胞同士が軸索を伸長し機能的に結合した、神経回路モデルを開発することが有効であると考えられる。しかしながら、手技により、基板上に神経細胞を精密に配置することは困難である。 To achieve this, it would be effective to develop a neural circuit model in which arbitrary neurons are placed in predetermined locations and functionally connected to each other through the extension of axons. However, it is difficult to precisely place neurons on a substrate using manual techniques.

特許文献1(特開2019-162097号公報)では、細胞接着性材料と細胞非接着性材料のパターンによる細胞配置を試みている。しかしながら、発明者らは、細胞接着性材料と細胞非接着性材料のパターンによる細胞配置を行った場合、特に、神経細胞においては、細胞接着部で遊走し、任意の位置に留めておくことが困難な傾向にあることを見出した。そこで、本発明は、神経細胞の遊走を抑制しつつ、神経細胞を基板上に精密に配置する技術を提供することを目的とする。 Patent Document 1 (JP 2019-162097 A) attempts to position cells using a pattern of cell-adhesive and non-cell-adhesive materials. However, the inventors discovered that when cells are positioned using a pattern of cell-adhesive and non-cell-adhesive materials, neurons, in particular, tend to migrate at the cell adhesion sites, making it difficult to keep them in a desired position. Therefore, the present invention aims to provide a technology for precisely positioning neurons on a substrate while inhibiting their migration.

本発明に係る、神経細胞が配置された基板の製造方法は、細胞接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置された領域とを有する基板上に、神経細胞を含む複数の液滴をインクジェット法により配置して、1つ又は複数の液溜りを形成する工程と、前記液溜り内の前記神経細胞が沈降し、前記基板上に仮接着して細胞集合体を形成するまで静置する工程と、を含み、前記液溜り1つあたりの直径が500μm以下であり、前記液溜り1つあたりの神経細胞の密度が10個/cm以上である。 The method of the present invention for producing a substrate on which neurons are arranged includes the steps of: arranging, by an inkjet method, a plurality of droplets containing neurons on a substrate having an area where a cell adhesive material is arranged and an area where a cell non-adhesive material is arranged, thereby forming one or more liquid pools; and allowing the neurons in the liquid pools to settle and temporarily adhere to the substrate to form a cell aggregate, wherein the diameter of each liquid pool is 500 μm or less, and the density of neurons per liquid pool is 105 cells/ cm2 or more.

本発明によれば、神経細胞の遊走を抑制しつつ、神経細胞を基板上に精密に配置する技術を提供することができる。 The present invention provides a technology for precisely positioning neurons on a substrate while suppressing their migration.

図1は、インクジェットヘッドの一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an inkjet head. 図2は、インクジェットヘッドへの入力波形の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a waveform input to the inkjet head. 図3は、インクジェットヘッドへの入力波形の一例を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a waveform input to the inkjet head. 図4は、液滴配置装置の一例を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a droplet placement device. 図5は、液滴配置装置の一例を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a droplet placement device. 図6は、液滴配置装置の一例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a droplet placement device. 図7は、液滴配置装置の一例を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a droplet placement device. 図8は、神経回路モデルの製造方法の一例を示すフロー図である。FIG. 8 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing a neural circuit model. 図9は、神経回路モデルの製造方法を説明する模式断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a neural circuit model. 図10(a)~(c)は、実験例1で撮影した顕微鏡写真である。10(a) to (c) are micrographs taken in Experimental Example 1. 図11は、実験例2の結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of Experimental Example 2. 図12は、基板に細胞非接着性材料のパターン及び細胞接着性材料のパターンを配置し、細胞を配置する手順を説明する模式図である。FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a procedure for arranging a pattern of a non-cell-adhesive material and a pattern of a cell-adhesive material on a substrate and then arranging cells. 図13(a)~(d)は、実験例3で撮影した顕微鏡写真である。13(a) to (d) are micrographs taken in Experimental Example 3. 図14は、実験例4で撮影した蛍光顕微鏡写真である。FIG. 14 is a fluorescence microscope photograph taken in Experimental Example 4. 図15(a)~(e)は、実験例5の手順を説明する模式図である。15(a) to 15(e) are schematic diagrams illustrating the procedure of Experimental Example 5. 図16(a)~(d)は、実験例6における細胞の配置を示す模式図である。16(a) to 16(d) are schematic diagrams showing the arrangement of cells in Experimental Example 6. FIG. 図17(a)は、実験例7で作製した神経回路モデルにおける、細胞非接着性材料及び神経細胞の配置パターンを示す模式図である。図17(b)は、実験例7において、細胞インクを吐出した直後の神経回路モデルの代表的な顕微鏡写真である。Fig. 17(a) is a schematic diagram showing the arrangement pattern of the non-cell-adhesive material and neurons in the neural circuit model prepared in Experimental Example 7. Fig. 17(b) is a representative micrograph of the neural circuit model immediately after ejection of the cell ink in Experimental Example 7. 図18は、実験例7で作製した神経回路モデルの蛍光顕微鏡写真である。FIG. 18 is a fluorescent micrograph of the neural circuit model prepared in Experimental Example 7. 図19(a)及び(b)は、実験例8で基板上に配置した細胞非接着性材料のパターンを示す図である。19(a) and (b) are diagrams showing the pattern of the non-cell-adhesive material placed on the substrate in Experimental Example 8. FIG. 図20(a)及び(b)は、実験例8で撮影した蛍光顕微鏡写真である。20(a) and (b) are fluorescence microscope photographs taken in Experimental Example 8. 図21(a)及び(b)は、実験例9で撮影した顕微鏡写真である。21(a) and (b) are micrographs taken in Experimental Example 9.

以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一又は対応する符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図における寸法比は、説明のため誇張している部分があり、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。 Embodiments of the present invention will be described in detail below, with reference to the drawings where appropriate. Note that identical or corresponding parts in the drawings are designated by identical or corresponding reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. Note that the dimensional ratios in each drawing may be exaggerated for the purpose of explanation and do not necessarily correspond to the actual dimensional ratios.

[神経細胞が配置された基板の製造方法]
1実施形態において、本発明は、細胞接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置された領域とを有する基板上に、神経細胞を含む複数の液滴をインクジェット法により配置して、1つ又は複数の液溜りを形成する工程と、前記液溜り内の前記神経細胞が沈降し、前記基板上に仮接着して細胞集合体を形成するまで静置する工程と、を含み、前記液溜り1つあたりの直径が500μm以下であり、前記液溜り1つあたりの神経細胞の密度が10個/cm以上である、神経細胞が配置された基板の製造方法を提供する。
[Method for manufacturing a substrate on which nerve cells are arranged]
In one embodiment, the present invention provides a method for manufacturing a substrate on which neurons are arranged, the method comprising the steps of: arranging, by inkjet printing, a plurality of droplets containing neurons on a substrate having an area where a cell-adhesive material is arranged and an area where a non-cell-adhesive material is arranged, to form one or more liquid pools; and allowing the neurons in the liquid pools to settle and temporarily adhere to the substrate to form cell aggregates, wherein the diameter of each liquid pool is 500 μm or less and the density of neurons per pool is 105 cells/ cm2 or more.

実施例において後述するように、発明者らは、基板上に配置された液溜り1つあたりの直径が500μm以下であり、且つ、当該液溜り中の神経細胞の密度が10個/cm以上であると、神経細胞の遊走が抑制され、神経細胞を基板上に精密に配置できることを明らかにした。また、インクジェット法により、細胞を含む液滴を基板上に吐出することにより、細胞を数個単位でマイクロメートルオーダーの微細な領域に安定して配置することができる。 As described later in the Examples, the inventors have demonstrated that neuronal migration is suppressed and neurons can be precisely positioned on a substrate when the diameter of each liquid pool placed on the substrate is 500 μm or less and the density of neurons in the liquid pool is 10 5 cells/cm 2 or more. Furthermore, by discharging droplets containing cells onto a substrate using an inkjet method, cells can be stably positioned in units of several cells in a microscopic area on the order of micrometers.

液溜り1つあたりの直径は、400μm以下であってもよく、300μm以下であってもよく、200μm以下であってもよい。液溜りの直径を小さくすると、高価な細胞の使用量を減らすことが容易となるため好ましい。 The diameter of each reservoir may be 400 μm or less, 300 μm or less, or 200 μm or less. Reducing the diameter of the reservoir is preferable because it makes it easier to reduce the amount of expensive cells used.

ここで、液滴とは、インクジェット法によりインクジェットヘッドから吐出される液滴をいう。また、液溜りとは、インクジェットヘッドから吐出された複数の液滴が基板上に着弾して形成された液滴をいう。また、液溜り1つあたりの直径とは、1つの液溜りが基板と接する領域の直径をいう。液溜りが基板と接する領域が円形でない場合には、液溜りが基板と接する領域と同面積の円を仮定し、その直径をいうものとする。また、液溜り1つあたりの神経細胞の密度とは、1つの液溜りが、基板上の細胞接着性材料が配置された領域と接する面積あたりの細胞数をいう。 Here, droplets refer to droplets ejected from an inkjet head by an inkjet method. A puddle refers to a droplet formed when multiple droplets ejected from an inkjet head land on a substrate. The diameter of a single puddle refers to the diameter of the area where a single puddle contacts the substrate. If the area where the puddle contacts the substrate is not circular, the diameter refers to a circle with the same area as the area where the puddle contacts the substrate. The density of neurons per puddle refers to the number of cells per area where a single puddle contacts the area on the substrate where the cell adhesive material is arranged .

上記の液滴は、液滴1つあたり1~50個の神経細胞を含むことが好ましい。また、液溜り1つあたりに含まれる神経細胞の数は7~10,000個程度であることが好ましい。液溜り1つあたりに含まれる神経細胞の数は、7個以上であってもよく、30個以上であってもよく、70個以上であってもよい。また、液溜り1つあたりに含まれる神経細胞の数は100個以下であってもよく、70個以下であってもよく、30個以下であってもよい。これらの上限と下限は任意に組み合わせることができる。 The droplets preferably contain 1 to 50 neurons per droplet. Furthermore, the number of neurons contained per reservoir is preferably approximately 7 to 10,000. The number of neurons contained per reservoir may be 7 or more, 30 or more, or 70 or more. Furthermore, the number of neurons contained per reservoir may be 100 or less, 70 or less, or 30 or less. These upper and lower limits can be combined in any manner.

基板としては、細胞の培養に用いることができるものであれば特に限定されず、基板の材質としては、例えば、以下に記載の有機材料や無機材料が挙げられる。これらは1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用して使用してもよい。 The substrate is not particularly limited as long as it can be used for cell culture. Examples of substrate materials include the organic and inorganic materials listed below. These may be used alone or in combination of two or more types.

有機材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)、TAC(トリアセチルセルロース)、ポリイミド(PI)、ナイロン(Ny)、低密度ポリエチレン(LDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、塩化ビニル、塩化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ウレタンアクリレート等のアクリル系材料、セルロース、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等のシリコーン系材料、ポリビニルアルコール(PVA)、アルギン酸カルシウム等のアルギン酸金属塩、ポリアクリルアミド、メチルセルロース、アガロース等のゲル状材料等が挙げられる。 The organic material is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), TAC (triacetylcellulose), polyimide (PI), nylon (Ny), low-density polyethylene (LDPE), medium-density polyethylene (MDPE), vinyl chloride, vinylidene chloride, polyphenylene sulfide, polyethersulfone, polyethylene naphthalate, polypropylene, acrylic materials such as urethane acrylate, silicone materials such as cellulose and polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl alcohol (PVA), metal alginates such as calcium alginate, polyacrylamide, methylcellulose, gel-like materials such as agarose, etc.

無機材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス、セラミックス等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the inorganic material, and it can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include glass, ceramics, etc.

基板の構造としては、細胞の培養に用いることができるものであれば特に限定されず、例えば多孔質構造や無孔構造が挙げられる。基板は多孔質構造を有するものであってもよく、無孔の平板部材に多孔質部材が積層されたものであってもよい。 The structure of the substrate is not particularly limited as long as it can be used for cell cultivation, and examples include porous and non-porous structures. The substrate may have a porous structure, or may be a non-porous flat plate with a porous material laminated on top.

多孔質構造の細孔の大きさや形に限定はなく、例えばメッシュ構造、凹凸構造、ハニカム構造等であってもよい。多孔質構造は、細胞非接着性材料又は細胞接着性材料が固定される表面積が大きくなる点、また、多量の溶液を保持することができ、乾燥を抑制できる点で、基板の構造として好ましい。 There are no limitations on the size or shape of the pores in the porous structure, and they may be, for example, a mesh structure, a textured structure, a honeycomb structure, etc. Porous structures are preferred as substrate structures because they increase the surface area on which the non-cell-adhesive material or cell-adhesive material can be fixed, and they can retain a large amount of solution, preventing drying.

基板として多孔質構造を有する基板を用い、予め基板に培地等の液体を保持させた上で液溜りを形成すると、上記の多孔質構造により液体が保持されるため、液溜りの乾燥を抑制することができる。 If a substrate with a porous structure is used and a liquid such as a culture medium is held in the substrate beforehand, and a liquid pool is formed, the liquid is retained by the porous structure, preventing the liquid pool from drying out.

また、乾燥した基板に液滴を吐出して液溜りを形成する場合には、液溜り中の液体の蒸発を抑制する工程(乾燥抑制工程)を実施することにより、液溜りの形状維持及び細胞の基板上への接着を安定して実現することが可能となる。 In addition, when droplets are ejected onto a dried substrate to form a liquid pool, a process for suppressing evaporation of the liquid in the liquid pool (drying suppression process) can be carried out to maintain the shape of the liquid pool and stably achieve adhesion of cells to the substrate.

乾燥抑制工程としては、例えば、(i)液溜り付近を高湿度化する工程、(ii)液体の蒸発を抑制する流体を基板上に配置した後に液溜りを形成する工程(ここで、液体の蒸発を抑制する流体としては、オイル、培地、緩衝液等が挙げられる。)、(iii)基板上に液溜りを形成した後に、液体の蒸発を抑制する流体(例えばオイル等)で、液溜りを被覆する工程、等が挙げられる。 Examples of drying suppression processes include (i) increasing the humidity around the liquid pool, (ii) placing a fluid that suppresses liquid evaporation on the substrate and then forming a liquid pool (here, examples of fluids that suppress liquid evaporation include oil, culture medium, buffer solution, etc.), and (iii) forming a liquid pool on the substrate and then covering the liquid pool with a fluid that suppresses liquid evaporation (e.g., oil, etc.).

高湿度化による蒸発抑制を行う場合、周囲への影響を最小に留めるために局所的な湿度制御を行うことが好ましい。また、乾燥抑制にオイルを使用する場合には、細胞への影響を抑える点で生体適合性があるオイルを使用することが好ましい。 When suppressing evaporation by increasing humidity, it is preferable to control humidity locally to minimize the impact on the surrounding area. Furthermore, when using oil to suppress drying, it is preferable to use oil that is biocompatible in order to minimize the impact on cells.

本実施形態の製造方法は、細胞集合体が形成された基板に培地を供給する工程を更に含んでいてもよい。培地としては、使用する細胞に適したものを適宜選択して用いることができる。具体的な培地としては、例えば、ダルベッコ改変イーグル培地(Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium、DMEM)、ハムF12培地(Ham’s Nutrient Mixture F12)、D-MEM/F12培地、マッコイ5A培地(McCoy’s 5A medium)、イーグルMEM培地(Eagle’s Minimum Essential Medium、EMEM)、αMEM培地(alpha Modified Eagle’s Minimum Essential Medium、αMEM)、MEM培地(Minimum Essential Medium)、RPMI1640(Roswell Park Memorial Institute-1640)培地、イスコフ改変ダルベッコ培地(Iscove’s Modified Dulbecco’s Medium、IMDM)、MCDB131培地、ウィリアム培地E、IPL41培地、Fischer’s培地、M199培地、高性能改良199培地(Hight Performance Medium 199)、StemPro34(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)、X-VIVO 10(Chembrex社製)、X-VIVO 15(Chembrex社製)、HPGM(Chembrex社製)、StemSpan H3000(ステムセルテクノロジーズ社製)、StemSpanSFEM(ステムセルテクノロジーズ社製)、StemlineII(シグマ-アルドリッチ社製)、QBSF-60(Quality Biological社製)、StemProhESCSFM(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)、Essential8(登録商標)培地(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)、mTeSR1又はmTeSR2培地(ステムセルテクノロジーズ社製)、ReproFF又はReproFF2(リプロセル社製)、PSGro hESC/iPSC培地(System Biosciences社製)、NutriStem(登録商標)培地(バイオロジカルインダストリーズ社製)、CSTI-7培地(細胞科学研究所社製)、MesenPRO RS培地(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)、MF-Medium(登録商標)間葉系幹細胞増殖培地(東洋紡株式会社製)、Sf-900II(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)、Opti-Pro(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)等が挙げられる。 The manufacturing method of this embodiment may further include a step of supplying a culture medium to the substrate on which the cell aggregates have been formed. The culture medium can be appropriately selected and used to suit the cells used. Specific media include, for example, Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), Ham's Nutrient Mixture F12, D-MEM/F12, McCoy's 5A medium, Eagle's Minimum Essential Medium (EMEM), alpha Modified Eagle's Minimum Essential Medium (αMEM), and MEM (Minimum Essential Medium). Medium), RPMI1640 (Roswell Park Memorial Institute-1640) medium, Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM), MCDB131 medium, Williams' Medium E, IPL41 medium, Fischer's medium, M199 medium, High Performance Medium 199, StemPro34 (Thermo Fisher Scientific), X-VIVO 10 (Chembrex), X-VIVO 15 (Chembrex), HPGM (Chembrex), StemSpan H3000 (StemCell Technologies), StemSpan SFEM (StemCell Technologies), Stemline II (Sigma-Aldrich), QBSF-60 (Quality Biological), StemPro hESC SFM (Thermo Fisher Scientific), Essential8 (registered trademark) medium (Thermo Fisher Scientific), mTeSR1 or mTeSR2 medium (StemCell Technologies), ReproFF or ReproFF2 (ReproCell), PSGro hESC/iPSC medium (System Examples of suitable medium include: NutriStem (registered trademark) medium (Biological Industries), CSTI-7 medium (Cell Science Institute), MesenPRO RS medium (Thermo Fisher Scientific), MF-Medium (registered trademark) mesenchymal stem cell growth medium (Toyobo Co., Ltd.), Sf-900II (Thermo Fisher Scientific), and Opti-Pro (Thermo Fisher Scientific).

これらは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。特に、DMEM/F12培地の場合、DMEM培地とF12培地を6:4~4:6の範囲の質量比で混合することが好ましい。 These may be used alone or in combination of two or more. In particular, in the case of DMEM/F12 medium, it is preferable to mix DMEM medium and F12 medium in a mass ratio ranging from 6:4 to 4:6.

また、培地に添加剤を添加してもよい。添加剤としては、神経細胞の培養に通常用いられるものが挙げられ、例えば、SM1サプリメント(ステムセルテクノロジーズ社)、N2サプリメントA(ステムセルテクノロジーズ社)、ラットアストロサイト培養上清(富士フイルム和光純薬)、ヒトアストロサイト培養上清(サイエンセルリサーチ社)、Component N(Elixirgen Scientific社)、Component G2(Elixirgen Scientific社)、Component P(Elixirgen Scientific社)、N2 Supplement(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)、iCell Neural SupplementB(CDI社)、iCell Neuvous System Supplement,B-27 plus(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)等が挙げられる。 Additives may also be added to the culture medium. Examples of additives include those commonly used in neuronal culture, such as SM1 Supplement (Stem Cell Technologies), N2 Supplement A (Stem Cell Technologies), rat astrocyte culture supernatant (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries), human astrocyte culture supernatant (Sciencell Research), Component N (Elixirgen Scientific), Component G2 (Elixirgen Scientific), Component P (Elixirgen Scientific), N2 Supplement (Thermo Fisher Scientific), iCell Neural Supplement B (CDI), and iCell Neuvous System Supplement, B-27. Plus (Thermo Fisher Scientific) and others.

また、本実施形態の製造方法は、液溜りを形成する工程において液溜りを複数形成し、静置する工程において細胞集合体を複数形成し、培地が供給された基板をインキュベートして、少なくとも2つの前記細胞集合体を機能的に結合させる工程を更に含んでいてもよい。 The manufacturing method of this embodiment may further include forming multiple liquid pools in the liquid pool forming step, forming multiple cell aggregates in the leaving step, and incubating the substrate supplied with culture medium to functionally bond at least two of the cell aggregates.

基板上に液溜りが複数形成される場合、それぞれの液溜り中で細胞集合体が形成される。そして、これらの細胞集合体に培地を供給してインキュベートした結果、これらの少なくとも2つの細胞集合体が機能的に結合すると、神経回路モデルを製造することができる。ここで、細胞集合体同士が機能的に結合するとは、神経細胞が軸索と呼ばれる突起を伸ばし、別の神経細胞の樹状突起との間でシナプス結合を形成することをいう。この結果、神経回路が形成される。 When multiple liquid pools are formed on a substrate, cell aggregates are formed in each liquid pool. These cell aggregates are then supplied with culture medium and incubated, and when at least two of these cell aggregates become functionally connected, a neural circuit model can be produced. Here, functional connection between cell aggregates refers to when a neuron extends a process called an axon and forms a synaptic connection with the dendrites of another neuron. As a result, a neural circuit is formed.

神経細胞は、例えば末梢神経と中枢神経に大別することもできる。末梢神経としては、例えば、感覚神経細胞、運動神経細胞、自律神経細胞が挙げられる。中枢神経としては、例えば、介在神経細胞、投射ニューロンが挙げられる。投射ニューロンとしては、例えば、皮質ニューロン、海馬ニューロン、扁桃体ニューロン等が挙げられる。また、中枢神経細胞は、興奮性ニューロンと抑制性ニューロンとに大別することもできる。中枢神経系で主に興奮性伝達を担うグルタミン酸作動性ニューロン、主に抑制性伝達を担うGABA(γ-aminobutyric acid)作動性ニューロン等が挙げられる。 Nerve cells can be broadly divided into peripheral and central nerve cells. Peripheral nerve cells include, for example, sensory nerve cells, motor nerve cells, and autonomic nerve cells. Central nerve cells include, for example, interneurons and projection neurons. Projection neurons include, for example, cortical neurons, hippocampal neurons, and amygdala neurons. Central nerve cells can also be broadly divided into excitatory neurons and inhibitory neurons. Examples include glutamatergic neurons, which are primarily responsible for excitatory transmission in the central nervous system, and GABAergic (γ-aminobutylic acid) neurons, which are primarily responsible for inhibitory transmission.

その他、神経調節物質を放出するニューロンとして、コリン作動性ニューロン、ドーパミン作動性ニューロン、ノルアドレナリン作動性ニューロン、セロトニン作動性ニューロン、ヒスタミン作動性ニューロン等が挙げられる。 Other neurons that release neuromodulators include cholinergic neurons, dopaminergic neurons, noradrenergic neurons, serotonergic neurons, and histaminergic neurons.

本実施形態の製造方法において、神経細胞が配置された基板上には、神経細胞以外の細胞を含む細胞集合体が更に配置されていてもよい。神経細胞が含まれる細胞集合体以外の細胞集合体は、神経細胞からの伝達シグナルを受信可能な細胞を含んでいてもよい。神経細胞からの伝達シグナルを受信可能な細胞としては、例えば神経細胞、筋細胞等が挙げられる。筋細胞としては、例えば、心筋細胞、骨格筋細胞、平滑筋細胞等が挙げられる。これらの細胞は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 In the manufacturing method of this embodiment, a cell aggregate containing cells other than neurons may be further arranged on the substrate on which neurons are arranged. The cell aggregate other than the cell aggregate containing neurons may contain cells capable of receiving a transmission signal from neurons. Examples of cells capable of receiving a transmission signal from neurons include neurons and muscle cells. Examples of muscle cells include cardiac muscle cells, skeletal muscle cells, and smooth muscle cells. One type of these cells may be used alone, or two or more types may be used in combination.

本実施形態の製造方法において、神経細胞は、初代培養細胞であってもよく、継代培養細胞であってもよく、株化された細胞であってもよく、不死化細胞であってもよく、各種遺伝子編集を施した神経細胞であってもよい。また、所望の神経細胞を多く含む細胞集団を得やすいという観点から、幹細胞から分化誘導された神経細胞であってもよい。 In the manufacturing method of this embodiment, the nerve cells may be primary cultured cells, passaged cells, established cell lines, immortalized cells, or nerve cells that have undergone various gene editing processes. Furthermore, from the viewpoint of making it easier to obtain a cell population containing a large number of desired nerve cells, nerve cells may be those that have been induced to differentiate from stem cells.

幹細胞としては、例えば、胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞、間葉系幹細胞、臍帯血由来幹細胞、神経幹細胞等が挙げられる。人工多能性幹細胞としては、例えば、核移植胚性幹細胞(ntES細胞)、誘導多能性幹細胞(iPS細胞)等が挙げられる。間葉系幹細胞としては、例えば、骨髄間葉系幹細胞、脂肪組織由来間葉系幹細胞等が挙げられる。中でも、幹細胞としては、iPS細胞が好ましい。 Examples of stem cells include embryonic stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells, mesenchymal stem cells, umbilical cord blood-derived stem cells, and neural stem cells. Examples of induced pluripotent stem cells include nuclear transfer embryonic stem cells (ntES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells). Examples of mesenchymal stem cells include bone marrow mesenchymal stem cells and adipose tissue-derived mesenchymal stem cells. Among these, iPS cells are preferred as stem cells.

iPS細胞は健常者由来のものであってもよく、各種神経系の疾患を有する患者由来のものであってもよい。また、各種遺伝子編集が施されたものであってもよく、例えば、遺伝子編集を施し各種神経系の疾患の原因又はリスク因子となる遺伝子を持つ細胞であってもよい。 iPS cells may be derived from healthy individuals or from patients with various nervous system disorders. They may also be genetically edited, for example, cells that have been genetically edited to contain genes that are the cause or risk factors for various nervous system disorders.

iPS細胞が各種神経系の疾患を有する患者由来の細胞である場合には、当該神経系の疾患モデルを構築するために利用することができる。神経系の疾患としては、特別に限定されないが、例えば、神経変性疾患、自閉症、てんかん、注意欠陥-多動性障害(Attention-deficit hyperactivity disorder、ADHD)、統合失調症、双極性障害等が挙げられる。神経変性疾患としては、例えば、アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症等が挙げられる。 When iPS cells are derived from patients with various nervous system disorders, they can be used to construct models of those nervous system disorders. Nervous system disorders include, but are not limited to, neurodegenerative disorders, autism, epilepsy, attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), schizophrenia, and bipolar disorder. Neurodegenerative disorders include, for example, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and amyotrophic lateral sclerosis.

神経細胞の由来となる動物種は、特に限定されず、例えば、ヒト、サル、イヌ、ウシ、ウマ、ヒツジ、ブタ、ウサギ、マウス、ラット、モルモット、ハムスター等が挙げられる。中でも、ヒトが好ましい。 The animal species from which the nerve cells are derived is not particularly limited, and examples include humans, monkeys, dogs, cattle, horses, sheep, pigs, rabbits, mice, rats, guinea pigs, and hamsters. Of these, humans are preferred.

本実施形態の製造方法において、神経細胞は、生体から採取されたものであってもよく、株化され培養されたものであってもよく、幹細胞から分化誘導されたものであってもよい。 In the manufacturing method of this embodiment, the nerve cells may be collected from a living organism, may be established and cultured, or may be differentiated from stem cells.

複数の種類の神経細胞を用いて神経回路モデルを製造する場合、1つの細胞集合体は1種類の神経細胞を含むことが好ましい。また、複数の細胞集合体のそれぞれは、目的に応じて異なる種類の神経細胞を含んでいてもよい。 When producing a neural circuit model using multiple types of neurons, it is preferable that one cell assembly contains one type of neuron. Furthermore, each of the multiple cell assemblies may contain different types of neuron depending on the purpose.

以下、神経細胞を含む液滴を基板上に配置して、1つ又は複数の液溜りを形成する工程を説明する。本工程は、少なくとも神経細胞及び細胞乾燥抑制剤を含有する細胞懸濁液(細胞インク)を、インクジェット方式により液滴として吐出することにより行う。 The following describes the process of placing droplets containing neurons on a substrate to form one or more liquid pools. This process is carried out by ejecting a cell suspension (cell ink) containing at least neurons and a cell drying inhibitor as droplets using an inkjet system.

インクジェット方式による液滴吐出手段としては、例えば、細胞インクを加圧する圧力発生手段として圧電素子を用いて細胞懸濁液の容積を変化させて液滴を吐出させる、いわゆるピエゾ方式(例えば、特公平2-51734号公報参照)、発熱抵抗体を用いて細胞インクを加熱して気泡を発生させる、いわゆるサーマル方式(例えば、特公昭61-59911号公報参照)、振動板と電極とを対向配置し、振動板と電極との間に発生させる静電力によって振動板を変形させることで、細胞インクの容積を変化させて液滴を吐出させる静電方式(例えば、特開平6-71882号公報参照)等が挙げられる。 Inkjet droplet ejection methods include, for example, the so-called piezo method, which uses a piezoelectric element as a pressure generating means to pressurize the cell ink and change the volume of the cell suspension to eject droplets (see, for example, Japanese Patent Publication No. 2-51734), the so-called thermal method, which uses a heating resistor to heat the cell ink and generate bubbles (see, for example, Japanese Patent Publication No. 61-59911), and the electrostatic method, which arranges a vibrating plate and an electrode opposite each other and changes the volume of the cell ink to eject droplets by deforming the vibrating plate using electrostatic force generated between the vibrating plate and the electrode (see, for example, Japanese Patent Publication No. 6-71882).

(インクジェットヘッド)
神経細胞及び細胞乾燥抑制剤を含有する細胞インクを液滴として吐出するために使用するインクジェットヘッドの具体的態様について、以下説明する。図1は、インクジェットヘッドの一例を示す概略図である。図1では、圧力発生手段として圧電素子を用いている。図2及び図3は、インクジェットヘッドへの入力波形の一例を示す概略図である。
(inkjet head)
A specific embodiment of an inkjet head used to eject droplets of cell ink containing nerve cells and a cell drying inhibitor will be described below. Fig. 1 is a schematic diagram showing an example of an inkjet head. In Fig. 1, a piezoelectric element is used as a pressure generating means. Figs. 2 and 3 are schematic diagrams showing examples of input waveforms to the inkjet head.

液滴吐出ヘッド10は、細胞インク11を保持する液室12と、ノズル15と、膜状部材のメンブレン13と、メンブレン13に振動を与える加振部16と、加振部16を振動させるため、加振部16に特定の駆動信号として電圧を与える駆動部14とを有する。 The droplet ejection head 10 has a liquid chamber 12 that holds cell ink 11, a nozzle 15, a membrane 13 that is a film-like member, a vibration unit 16 that imparts vibrations to the membrane 13, and a drive unit 14 that applies a voltage to the vibration unit 16 as a specific drive signal to vibrate the vibration unit 16.

液室12には、液室内を大気に開放するための大気開放部17が設けられている。液滴吐出ヘッド10は、細胞インクに振動を与えることで、ノズルから細胞インクの液滴が吐出される。 The liquid chamber 12 is provided with an air vent 17 for opening the liquid chamber to the atmosphere. The droplet ejection head 10 applies vibrations to the cell ink, causing droplets of the cell ink to be ejected from the nozzles.

駆動部14は、駆動信号として吐出波形Pjを加振部16に加えることができるようになっており、メンブレン13の振動状態を制御することによって液室12に保持された細胞インク11を液滴状に吐出させることが可能となっている。吐出波形Pjは、メンブレン13を共振させて、細胞インク11をより少ない電圧で吐出させるために、メンブレン13の固有振動周期Toを含む駆動信号に設定するとよい。吐出波形Pjは、三角波、正弦波のみでなく、ローパスフィルタにかけてエッジを緩やかにした三角波も用いることができる。更に、駆動部14は、駆動信号として液滴吐出後のメンブレン残留振動を抑制する免振波形Psを加振部16に加えることができるようになっている。これによって、液滴形成後のメンブレン残留振動が早く抑制されることにより、より高周波な連続吐出が可能となる。更に、サテライトやミストが減少することにより、液滴のより微小な量の制御が可能になる。免振波形Psは、三角波、正弦波のみでなく、ローパスフィルタにかけてエッジを緩やかにした三角波も用いることができる。 The driver 14 is capable of applying an ejection waveform Pj as a drive signal to the vibration generator 16, thereby controlling the vibration state of the membrane 13 and ejecting the cell-cell ink 11 held in the liquid chamber 12 in the form of droplets. The ejection waveform Pj is preferably set to a drive signal that includes the membrane 13's natural vibration period To in order to resonate the membrane 13 and eject the cell-cell ink 11 with less voltage. The ejection waveform Pj can be not only a triangular wave or a sine wave, but also a triangular wave with gentler edges obtained by applying a low-pass filter. Furthermore, the driver 14 is capable of applying a vibration-isolating waveform Ps as a drive signal to the vibration generator 16, which suppresses residual membrane vibration after droplet ejection. This quickly suppresses residual membrane vibration after droplet formation, enabling higher-frequency continuous ejection. Furthermore, the reduction in satellites and mist allows for more precise control of droplet volume. The vibration isolation waveform Ps can be not only a triangular wave or a sine wave, but also a triangular wave with gentler edges that has been filtered through a low-pass filter.

液室12に保持される細胞インク11の量は特に制限されず、例えば、1μLから1mL程度の液を保持することが可能である。特に、細胞を分散させた細胞インクのように高価な液を使用する際には、少量の液量で液滴形成ができるようになっていることが好ましく、1μLから50μL程度の液量を保持することができる構成であるとよい。 The amount of cell ink 11 that can be held in the liquid chamber 12 is not particularly limited, and it is possible to hold, for example, approximately 1 μL to 1 mL of liquid. In particular, when using an expensive liquid such as cell ink with dispersed cells, it is preferable that droplets can be formed with a small amount of liquid, and a configuration that can hold approximately 1 μL to 50 μL of liquid is desirable.

メンブレン13の形状としては、円形であっても、楕円状や四角形であってもよい。メンブレン13の材質は、特に制限されないが、柔らかすぎるとメンブレンが簡単に振動してしまい、液滴が吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難となるため、ある程度の硬さがある材質であるとよい。メンブレン13の材質としては、例えば、金属材料、セラミック材料、ある程度の硬さのある高分子材料等を用いることができる。 The shape of the membrane 13 may be circular, elliptical, or rectangular. There are no particular restrictions on the material of the membrane 13, but if it is too soft, the membrane will vibrate easily, making it difficult to immediately stop the vibration when droplets are not being ejected. Therefore, it is preferable that the material has a certain degree of hardness. Examples of materials that can be used for the membrane 13 include metal materials, ceramic materials, and polymeric materials with a certain degree of hardness.

ノズル15は、メンブレン13の中心に実質的に真円状の貫通孔として形成されていることが好ましい。加振部16としては、例えば、圧電素子が挙げられる。電圧を印加することによって紙面横方向に圧縮応力が加わりメンブレン13を変形させることができる。圧電素子の材料としては、例えば、一般的に使用されているジルコン酸チタン酸鉛を用いることができる。この他にも、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、あるいはこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたもの等、様々な圧電材料を用いることができる。 The nozzle 15 is preferably formed as a substantially circular through-hole in the center of the membrane 13. The vibrator 16 can be, for example, a piezoelectric element. By applying a voltage, compressive stress is applied in the lateral direction of the page, causing the membrane 13 to deform. The piezoelectric element can be made of the commonly used lead zirconate titanate, for example. Other piezoelectric materials that can be used include bismuth iron oxide, metal niobate, barium titanate, or any of these materials to which a metal or a different oxide has been added.

メンブレン13を変形させるためのメンブレン13に振動を与える手段としては、圧電素子に限られず、例えば、メンブレン13上にメンブレンとは異なる線膨張係数が異なる材料が貼り付けられており、加熱することによって線膨張係数の差を利用してメンブレン13を変形させることも可能である。このとき、例えば、線膨張係数の異なる材料にはヒーターが形成されており、通電によってヒーターが加熱し、メンブレン13が変形できるようになっている。 The means for applying vibrations to membrane 13 to deform it is not limited to piezoelectric elements. For example, a material with a different linear expansion coefficient from that of the membrane can be attached to membrane 13, and by heating it, membrane 13 can be deformed by taking advantage of the difference in linear expansion coefficients. In this case, for example, a heater is formed on the material with the different linear expansion coefficient, and when electricity is applied, the heater heats up, causing membrane 13 to deform.

(細胞インク)
続いて、細胞インクについて説明する。細胞インクは、少なくとも神経細胞及び細胞乾燥抑制剤を含有する。更に、細胞懸濁液(細胞インク)は、細胞を分散させる分散媒を含有し、必要に応じて、分散剤、pH調整剤等のその他の添加材料を含有してもよい。神経細胞については上述したものと同様である。
(Cell Ink)
Next, we will explain the cell ink. The cell ink contains at least neurons and a cell drying inhibitor. Furthermore, the cell suspension (cell ink) contains a dispersion medium to disperse the cells, and may contain other additives such as dispersants and pH adjusters as necessary. The neurons are the same as those described above.

細胞乾燥抑制剤とは、細胞の表面を覆い、細胞の乾燥を抑制する機能を有するものであり、例えば、多価アルコール類、ゲル状多糖類、及び、細胞外基質から選ばれるタンパク質等が挙げられる。 A cell desiccation inhibitor is a substance that coats the surface of cells and prevents them from drying out. Examples include polyhydric alcohols, gel-like polysaccharides, and proteins selected from the extracellular matrix.

多価アルコールとしては、細胞へダメージを与えなければ特に制限はなく、例えば、グリセリン、ジグリセリン、ジエチレングリコール、1,3-ブタンジオール、1,2,3-ブタントリオール、1,2,4-ブタントリオール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコールなどが挙げられる。これらは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中でも、グリセリンが好ましい。グリセリンは、細胞への毒性が低く、低添加量であっても乾燥を抑制する効果が期待できる。 There are no particular limitations on the polyhydric alcohol as long as it does not damage cells, and examples include glycerin, diglycerin, diethylene glycol, 1,3-butanediol, 1,2,3-butanetriol, 1,2,4-butanetriol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, and polyethylene glycol. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, glycerin is preferred. Glycerin has low toxicity to cells and can be expected to suppress drying even when added in small amounts.

ゲル状多糖類とは、ゲル状態となっている多糖類をいう。ゲル状多糖類としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アルギン酸カルシウム、ジェランガム、アガロース、グァーガム、キサンタンガム、カラギーナン、ペクチン、ローカストビーンガム、タマリンドガム、ダイユータンガム、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。これらは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中でも、アルギン酸カルシウムが好ましい。アルギン酸カルシウムは、アルギン酸のカルボキシル基にカルシウムイオンが結合した塩であり、カルシウムイオンは2価であるため、2つのカルボキシル基にまたがる形で結合(イオン架橋)して増粘することにより、細胞インクの乾燥を抑制することができる。このときカルシウムイオンは分散媒中に含まれており、乾燥による濃縮で過剰になったカルシウムイオンと結合すると考えられ、浸透圧を調整する役割も期待できる。 Gel-like polysaccharides are polysaccharides in a gel state. There are no particular limitations on gel-like polysaccharides and they can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include calcium alginate, gellan gum, agarose, guar gum, xanthan gum, carrageenan, pectin, locust bean gum, tamarind gum, diutan gum, and carboxymethylcellulose. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, calcium alginate is preferred. Calcium alginate is a salt in which calcium ions are bound to the carboxyl groups of alginic acid. Because calcium ions are divalent, they bind across the two carboxyl groups (ionic cross-linking), thickening the ink and preventing it from drying out. The calcium ions are contained in the dispersion medium and are thought to bind to excess calcium ions that become concentrated during drying, potentially regulating osmotic pressure.

細胞外基質から選ばれるタンパク質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、コラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、エラスチン、フィブリン等が挙げられる。これらは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。これらの中でも、コラーゲンが好ましい。コラーゲンには多様な種類が存在するが、濃度や温度によって増粘することが知られており、細胞インク中に含ませることで、濃度が上昇した際に増粘させることができる。 The protein selected from the extracellular matrix is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include collagen, laminin, fibronectin, elastin, fibrin, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, collagen is preferred. There are many different types of collagen, but it is known to thicken depending on the concentration and temperature. By including it in the cell ink, the viscosity can be increased as the concentration increases.

分散媒としては、細胞培養用の培地や緩衝液が好ましい。培地については上述したものと同様である。緩衝液は、pHを調整するためのものであり、公知のものを適宜選択して使用することができる。 Preferably, the dispersion medium is a cell culture medium or buffer solution. The medium is the same as described above. The buffer solution is used to adjust the pH, and any known buffer solution can be selected and used as appropriate.

基板上に配置された液溜りは微小量であるため、数十秒から数分で液溜り中の液体の蒸発が進行し、液溜り内の成分濃度が急激に上昇してしまう。この濃度変化に起因する浸透圧等の急激な変化によって、液溜り内の細胞にダメージを与えてしまい、最悪の場合、細胞死に至る。したがって、下記のような方法により液溜り中の液体の蒸発を抑制することが好ましい。 Because the liquid pools placed on the substrate are tiny, evaporation of the liquid in the pools occurs within tens of seconds to a few minutes, causing a rapid rise in the concentration of components in the pools. This change in concentration causes sudden changes in osmotic pressure, etc., which can damage the cells in the pools and, in the worst case, lead to cell death. Therefore, it is preferable to suppress evaporation of the liquid in the pools using the following methods.

例えば、基板として多孔質構造を有する基板を用い、予め基板に培地等の液体を保持させた上で液溜りを形成すると、上記の多孔質構造により液体が保持されるため、液溜りの乾燥を抑制することができる。 For example, if a substrate with a porous structure is used and a liquid such as a culture medium is held in the substrate beforehand, and a liquid pool is formed, the liquid is held in place by the porous structure, preventing the liquid pool from drying out.

また、乾燥した基板に液滴を吐出して液溜りを形成する場合には、液溜り中の液体の蒸発を抑制する工程(乾燥抑制工程)を実施することにより、液溜りの形状維持及び細胞の基板上への接着を安定して実現することが可能となる。乾燥抑制工程としては、上述したものと同様の工程が挙げられる。 Furthermore, when droplets are ejected onto a dried substrate to form a liquid pool, a step of suppressing evaporation of the liquid in the liquid pool (drying suppression step) can be carried out to maintain the shape of the liquid pool and stably achieve adhesion of cells to the substrate. Examples of the drying suppression step include steps similar to those described above.

(液滴を配置する工程)
続いて、基板上に、細胞を含む1つ又は複数の液滴を配置して1つ又は複数の液溜りを形成する工程について説明する。液滴を配置する工程では、細胞インクの液滴を基板上の目的の位置に吐出する。神経細胞を含む液滴は、基板上の1か所に配置されてもよいし、基板上の複数の位置に配置されてもよい。インクジェットヘッドから吐出される細胞インクの複数の液滴が基板上の1か所に配置され、1つの液溜りが形成される。
(Step of disposing droplets)
Next, we will explain the process of placing one or more droplets containing cells on a substrate to form one or more puddles. In the droplet placement process, droplets of cell ink are ejected at target positions on the substrate. Droplets containing nerve cells may be placed at one location on the substrate, or at multiple locations on the substrate. Multiple droplets of cell ink ejected from an inkjet head are placed at one location on the substrate, forming one puddle.

液滴を吐出するタイミングを調整することにより、細胞接着性材料が配置された領域(細胞接着部)に接着される細胞の位置を調整することができる。また、その際の細胞インクの吐出量(液滴数や液滴量)や細胞濃度を調整することにより、基板上に配置する細胞の数を調整することができる。 By adjusting the timing of droplet ejection, it is possible to adjust the position of cells adhering to the area where the cell adhesive material is placed (cell adhesion area). Furthermore, by adjusting the amount of cell ink ejected (number of droplets and droplet volume) and the cell concentration, it is possible to adjust the number of cells placed on the substrate.

基板上に配置された液溜り内の細胞は、沈降し、基板上に仮接着して細胞集合体を形成する。インクジェット法によれば、細胞インクの液滴が手技に比べて非常に小さいため、細胞が基板上に仮接着するまでの時間が非常に短時間である。また、インクジェット法により液滴を配置することにより、神経細胞を所定の位置に配置する、細胞パターンの形状精度が高い。所定の位置に所定数の神経細胞を配置できる確率、あるいは配置した細胞数が所望の数となっている確率が高く、所望の数の神経細胞を配置する精度が高い。また、配置された神経細胞の所定時間経過後における生存率も高い。 Cells in a liquid pool placed on a substrate settle and temporarily adhere to the substrate, forming a cell aggregate. With the inkjet method, the droplets of cell ink are much smaller than with manual techniques, so the time it takes for cells to temporarily adhere to the substrate is extremely short. Furthermore, by placing droplets using the inkjet method, neurons are placed in predetermined positions, resulting in a high degree of accuracy in the shape of the cell pattern. There is a high probability that a predetermined number of neurons can be placed in a predetermined position, or that the number of placed cells is the desired number, and the accuracy in placing the desired number of neurons is high. Furthermore, the survival rate of placed neurons after a predetermined time has passed is also high.

(液滴配置装置)
以下、基板上に液滴を配置する装置(以下、「液滴配置装置」という場合がある。)の具体的態様について説明する。しかし、本発明は、これらの実施態様に何ら限定されるものではない。
(Droplet placement device)
Specific embodiments of an apparatus for disposing droplets on a substrate (hereinafter, sometimes referred to as a "droplet disposing apparatus") will be described below, but the present invention is not limited to these embodiments.

液滴配置装置は、ステージ部と、細胞インクの液滴を吐出する液滴吐出手段であるインクジェットヘッドを有する。ステージ部は、基板を保持する。液滴吐出ヘッドの構成は、上述したインクジェットヘッドと同様である。 The droplet placement device has a stage unit and an inkjet head, which is a droplet ejection means for ejecting droplets of cell ink. The stage unit holds the substrate. The droplet ejection head has the same configuration as the inkjet head described above.

図4から図7に、インクジェットヘッドを搭載した液滴配置装置の一例を示す。図4に示す液滴配置装置400は、ステージ部31と、インクジェットヘッド21とを有する。インクジェットヘッド21は、上述したように、液室部25、加振部27、駆動部26、及び、メンブレン28を有する。また、インクジェットヘッド21には、大気開放部24が形成されている。 Figures 4 to 7 show an example of a droplet placement device equipped with an inkjet head. The droplet placement device 400 shown in Figure 4 has a stage unit 31 and an inkjet head 21. As described above, the inkjet head 21 has a liquid chamber unit 25, a vibration unit 27, a drive unit 26, and a membrane 28. The inkjet head 21 also has an atmosphere vent unit 24.

液滴配置装置は、細胞インクだけでなく、細胞非接着性材料又は細胞接着性材料を含む溶液の液滴も吐出できる構成としてもよい。図5に示す液滴配置装置500は、細胞インクの液滴を吐出するインクジェットヘッド21の他に、細胞非接着性材料又は細胞接着性材料を含む溶液の液滴を吐出するインクジェットヘッド23を備える。インクジェットヘッド23の基本構成は、インクジェットヘッド21と同様である。図5において、符号29は駆動部を、符号30は細胞非接着性材料又は細胞接着性材料の溶液を保持する液室を示す。インクジェットヘッド23は、インクジェットヘッド21と同様に、図示しない加振部やメンブレンを有する。 The droplet placement device may be configured to eject droplets of not only cell ink but also a solution containing a non-cell-adhesive material or a cell-adhesive material. The droplet placement device 500 shown in Figure 5 includes an inkjet head 21 that ejects droplets of cell ink, as well as an inkjet head 23 that ejects droplets of a solution containing a non-cell-adhesive material or a cell-adhesive material. The basic configuration of the inkjet head 23 is the same as that of the inkjet head 21. In Figure 5, reference numeral 29 denotes a drive unit, and reference numeral 30 denotes a liquid chamber that holds a solution of the non-cell-adhesive material or the cell-adhesive material. Like the inkjet head 21, the inkjet head 23 also has a vibration unit and a membrane (not shown).

液滴配置装置では、2種類以上の細胞を含む液滴を配置することもできる。図6に示す液滴配置装置600は、細胞インクの液滴を吐出するインクジェットヘッド21を複数備えることができる。図6では、インクジェットヘッド21、及び、インクジェットヘッド21と同じ構成のインクジェットヘッド22を備えた例を示す。また、図7に、インクジェットヘッド21及び22に加え、インクジェットヘッド23も備えた液滴配置装置700を示す。液滴配置装置は、上述した構成のほかにも、インクジェットヘッドを保持する保持部や、ステージとインクジェットヘッドの相対位置を制御する機構部等を備えていてもよい。 The droplet placement device can also place droplets containing two or more types of cells. The droplet placement device 600 shown in Figure 6 can be equipped with multiple inkjet heads 21 that eject droplets of cell ink. Figure 6 shows an example equipped with inkjet head 21 and inkjet head 22, which has the same configuration as inkjet head 21. Figure 7 shows a droplet placement device 700 equipped with inkjet head 23 in addition to inkjet heads 21 and 22. In addition to the configuration described above, the droplet placement device may also be equipped with a holding unit that holds the inkjet heads, a mechanism that controls the relative position of the stage and inkjet head, etc.

神経細胞を配置する基板は、細胞接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置された領域とを有する。本明細書において、細胞接着性材料が配置された領域を細胞接着部という場合がある。また、細胞非接着性材料が配置された領域を細胞非接着部という場合がある。実施例において後述するように、表面に細胞非接着性材料のパターンを配置することにより、神経細胞を配置した場合の軸索伸長をより柔軟に制御することが可能になる。 The substrate on which neurons are arranged has an area where a cell adhesive material is arranged and an area where a non-cell adhesive material is arranged. In this specification, the area where a cell adhesive material is arranged may be referred to as a cell adhesive portion. Furthermore, the area where a non-cell adhesive material is arranged may be referred to as a non-cell adhesive portion. As will be described later in the Examples, by arranging a pattern of non-cell adhesive material on the surface, it becomes possible to more flexibly control axonal outgrowth when neurons are arranged.

基板に細胞非接着性材料が配置されていることにより、細胞の成長方向を規定することができる。また、基板に細胞非接着性材料が配置されていることにより、複数種類の細胞を互いに混ざり合うことなく配置することができる。ここで、複数種類の細胞をインクジェット法により配置する場合、細胞同士のコンタミネーションを避ける観点から、細胞インクの液滴を吐出するインクジェットヘッドは、細胞1種類に対して1つ用意することが好ましい。 By disposing a non-cell-adhesive material on the substrate, it is possible to regulate the direction of cell growth. Furthermore, by disposing a non-cell-adhesive material on the substrate, it is possible to dispose multiple types of cells without them intermixing with each other. When disposing multiple types of cells using the inkjet method, it is preferable to provide one inkjet head for ejecting droplets of cell ink for each type of cell, in order to avoid contamination between the cells.

細胞非接着性材料のパターンは、細胞非接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置されていない領域とを有し、細胞非接着性材料が配置されていない領域が、線状形状(線状)を有していてもよい。この場合、線状形状の幅が100μm以下であることが好ましい。 The pattern of the non-cell-adhesive material has areas where the non-cell-adhesive material is disposed and areas where the non-cell-adhesive material is not disposed, and the areas where the non-cell-adhesive material is not disposed may have a linear shape (line shape). In this case, it is preferable that the width of the linear shape is 100 μm or less.

線状形状の幅が100μm以下であると、細胞非接着性材料が配置されていない線状形状に沿って軸索を伸長させることができる。つまり、2つの線状形状の細胞非接着性材料のパターンで挟まれた領域を、軸索が伸長する経路にすることができる。 When the width of the linear shape is 100 μm or less, axons can extend along the linear shape where no non-cell-adhesive material is arranged. In other words, the area sandwiched between two linear patterns of non-cell-adhesive material can be used as a path for axon extension.

細胞を配置する基板は、表面に細胞非接着性材料のパターンを配置されているだけでなく、表面に細胞接着性材料のパターンが更に配置されている。細胞インクの液滴は、前記細胞接着性材料に接して配置されてもよい。細胞インクの液滴が、細胞接着性材料に接して配置され、基板上に配置された細胞インクの液溜りが基板と接する面積よりも、細胞接着性材料のパターンの面積の方が小さい場合、液滴に含まれた細胞は、沈降して基板上に仮接着した後、細胞接着性材料のパターン上に移動して集合する傾向がある。したがって、基板上に細胞接着性材料のパターンを配置することによって、細胞の配置を制御することができる。 The substrate on which cells are arranged not only has a pattern of a non-cell-adhesive material arranged on its surface, but also has a pattern of a cell-adhesive material arranged on its surface. The cell-ink droplets may be arranged in contact with the cell-adhesive material. When the cell-ink droplets are arranged in contact with the cell-adhesive material and the area of the cell-adhesive material pattern is smaller than the area of the cell-ink puddle arranged on the substrate in contact with the substrate, the cells contained in the droplets tend to settle and temporarily adhere to the substrate, and then migrate and aggregate on the cell-adhesive material pattern. Therefore, by arranging a pattern of cell-adhesive material on the substrate, it is possible to control the arrangement of cells.

(細胞非接着性材料)
細胞非接着性材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、アルギン酸金属塩(アルギン酸カルシウム等)のゲル、ポリヒドロキシエチルメタアクリレート(pHEMA)、ポリエチレングリコール(PEG)、これらの誘導体等が挙げられる。
(Cell non-adhesive material)
Examples of non-cell adhesive materials include polydimethylsiloxane (PDMS), gels of metal alginates (such as calcium alginate), polyhydroxyethyl methacrylate (pHEMA), polyethylene glycol (PEG), and derivatives thereof.

ここで、細胞非接着性材料がポリエチレングリコールである場合について説明する。この場合、例えば、ポリエチレングリコールを骨格とし、側鎖及び/又は末端に1以上の求核性官能基又は求電子性官能基のいずれか一方の官能基を有する多分岐型ポリマーを含む第1溶液と、ポリエチレングリコールを骨格とし、側鎖及び/又は末端に1以上の求核性官能基又は求電子性官能基の他方の官能基を有する多分岐型ポリマーを含む第2溶液とを接触させることにより、これらが架橋して細胞非接着性材料のパターンを形成することができる。 Here, we will explain the case where the non-cell-adhesive material is polyethylene glycol. In this case, for example, by contacting a first solution containing a hyperbranched polymer with a polyethylene glycol backbone and one or more nucleophilic or electrophilic functional groups on its side chains and/or ends with a second solution containing a hyperbranched polymer with a polyethylene glycol backbone and one or more nucleophilic or electrophilic functional groups on its side chains and/or ends, they can be crosslinked to form a pattern of the non-cell-adhesive material.

「ポリエチレングリコールを骨格とする多分岐型ポリマー」(以下、単に「多分岐型ポリマー」又は「Multi-Arm PEG」という場合がある。)は、ゲル化材として用いられるポリマーである。複数のポリエチレングリコール(PEG)分岐の末端に、求核性官能基と求電子性官能基をそれぞれ有する2種類のMulti-Arm PEGが、互いに架橋し合うことで、網目構造ネットワークを有するゲル(Multi-Arm PEGゲル)を形成することができる。 A "polyethylene glycol-based hyperbranched polymer" (hereinafter sometimes simply referred to as a "hyperbranched polymer" or "multi-arm PEG") is a polymer used as a gelling material. Two types of multi-arm PEGs, each with a nucleophilic functional group and an electrophilic functional group at the ends of multiple polyethylene glycol (PEG) branches, can crosslink with each other to form a gel with a mesh-like network (multi-arm PEG gel).

例えば、4つのPEG分岐の末端に求核性官能基と求電子性官能基をそれぞれ有する2種類の四分岐型ポリマー(以下、「Tetra-PEG」という場合がある。)の場合であれば、均一な網目構造ネットワークを有する「Tetra-PEGゲル」と称されるゲルを形成できる。 For example, in the case of two types of four-branched polymers (hereinafter sometimes referred to as "Tetra-PEG") that have a nucleophilic functional group and an electrophilic functional group at the ends of each of the four PEG branches, a gel called a "Tetra-PEG gel" can be formed, which has a uniform network structure.

多分岐型ポリマーの分岐数は特に限定はされない。通常は求電子末端と求核末端を含む3分岐以上のPEGであれば問題はなく、必要に応じて適宜選択することができる。求核性官能基と求電子性官能基をそれぞれ有していれば、Multi-Arm PEGを構成する2以上のPEGは、それぞれ異なる分岐数を有していてもよい。Multi-Arm PEGの中でも、Tetra-PEGゲルは、理想的な均一網目構造を有することが知られている。 There are no particular limitations on the number of branches in a hyperbranched polymer. Generally, any PEG with three or more branches, including electrophilic and nucleophilic ends, can be used without any problems, and can be selected appropriately as needed. As long as each PEG has a nucleophilic functional group and an electrophilic functional group, the two or more PEGs that make up the multi-arm PEG may have different numbers of branches. Among multi-arm PEGs, tetra-PEG gel is known to have an ideal uniform network structure.

また、Tetra-PEGゲルは、第1溶液及び第2溶液に含まれる2種類のTetra-PEGの単純な混合によって、その場で簡便かつ短時間で形成可能であり、さらに各Tetra-PEGのpHや濃度を調節することで、ゲル化時間を制御することもできる。加えて、PEGを主成分とするため、生体適合性にも優れている。細胞とTetra-PEGを含む溶液を液滴吐出装置で吐出し、2種類のTetra-PEGを反応させて、Tetra-PEGゲルを造形することで、細胞を三次元に配置することが可能になる。 Furthermore, Tetra-PEG gel can be easily and quickly formed on-site by simply mixing the two types of Tetra-PEG contained in the first and second solutions, and the gelation time can be controlled by adjusting the pH and concentration of each Tetra-PEG. Additionally, because PEG is the main component, it has excellent biocompatibility. By ejecting a solution containing cells and Tetra-PEG using a droplet ejection device and reacting the two types of Tetra-PEG to form a Tetra-PEG gel, it becomes possible to position cells in three dimensions.

Tetra-PEGは、一実施形態として、以下の一般式(1)で表される構造を有する化合物であってよい。 In one embodiment, Tetra-PEG may be a compound having a structure represented by the following general formula (1):

上記式(1)中のmは、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。mの値が近いほど均一な立体構造をとることができ、ゲルが高強度となる。このため、高強度のゲルを得るためには、同一であることが好ましい。mの値が高すぎるとゲルの強度が弱くなり、各mの値が低すぎると化合物の立体障害によりゲルが形成されにくい。そのため、各mとしては、25~250の整数値が挙げられ、35~180が好ましく、50~115がさらに好ましく、50~60が特に好ましい。そして、その分子量としては、5×10~5×10 Daが挙げられ、7.5×10~3×10 Daが好ましく、1×10~2×10 Daがより好ましい。 The m's in the formula (1) may be the same or different. The closer the m's are, the more uniform the three-dimensional structure can be, and the stronger the gel will be. Therefore, to obtain a high-strength gel, it is preferable that the m's are the same. If the m's are too high, the gel strength will be weak, and if the m's are too low, the gel will be difficult to form due to steric hindrance of the compound. Therefore, each m' may be an integer value of 25 to 250, preferably 35 to 180, more preferably 50 to 115, and particularly preferably 50 to 60. The molecular weight thereof may be 5 x 10 3 to 5 x 10 4 Da, preferably 7.5 x 10 3 to 3 x 10 4 Da, and more preferably 1 x 10 4 to 2 x 10 4 Da.

上記式(1)中、Xは、官能基とコア部分を繋ぐリンカー部位である。各Xは、それぞれ同一であっても異なっていてもよいが、均一な立体構造を有する高強度なゲルを製造するためには同一であることが好ましい。Xは、C-Cアルキレン基、C-Cアルケニレン基、-NH-Ra-、-CO-Ra-、-Rb-O-Rc-、-Rb-NH-Rc-、-Rb-CO-Rc-、-Rb-CO-NH-Rc-、-Rb-CO-Rc-、又は、-Rb-CO-NH-Rc-を示す。ここで、RaはC-Cアルキレン基を示し、RbはC-Cアルキレン基を示し、RcはC-Cアルキレン基を示す。 In the above formula (1), X1 is a linker moiety connecting the functional group and the core portion. Each X1 may be the same or different, but is preferably the same in order to produce a high-strength gel having a uniform three-dimensional structure. X1 represents a C1 - C7 alkylene group, a C2 - C7 alkenylene group, -NH-Ra-, -CO-Ra-, -Rb-O-Rc-, -Rb-NH-Rc-, -Rb-CO2- Rc- , -Rb-CO2- NH -Rc-, -Rb-CO-Rc-, or -Rb-CO-NH-Rc-. Here, Ra represents a C1 - C7 alkylene group, Rb represents a C1 - C3 alkylene group, and Rc represents a C1 - C5 alkylene group.

「C-Cアルキレン基」とは、分岐を有してもよい炭素数が1以上7以下のアルキレン基であって、直鎖C-Cアルキレン基、又は、1又は2以上の分岐を有するC-Cアルキレン基(分岐を含めた炭素数が2以上7以下)を含む。C-Cアルキレン基の例は、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基である。C-Cアルキレン基の例は、-CH-、-(CH-、-(CH-、-CH(CH)-、-(CH(CH))-、-(CH-CH(CH)-、-(CH-CH(CH)-、-(CH-CH(C)-、-(CH-、-(CH-C(C-、及び、-(CHC(CHCH-等が挙げられる。 The term "C 1 -C 7 alkylene group" refers to an alkylene group having from 1 to 7 carbon atoms which may have a branch, and includes a linear C 1 -C 7 alkylene group, or a C 2 -C 7 alkylene group having one or more branches (having from 2 to 7 carbon atoms including the branches). Examples of C 1 -C 7 alkylene groups include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, and a butylene group. Examples of C 1 -C 7 alkylene groups include -CH 2 -, -(CH 2 ) 2 -, -(CH 2 ) 3 -, -CH(CH 3 )-, -(CH(CH 3 )) 2 -, -(CH 2 ) 2 -CH(CH 3 )-, -(CH 2 ) 3 -CH(CH 3 )-, -(CH 2 ) 2 -CH(C 2 H 5 )-, -(CH 2 ) 6 -, -(CH 2 ) 2 -C(C 2 H 5 ) 2 -, and -(CH 2 ) 3 C(CH 3 ) 2 CH 2 -.

「C-Cアルケニレン基」とは、鎖中に1個若しくは2個以上の二重結合を有する直鎖状又は分枝鎖状の炭素原子数2~7個のアルケニレン基である。例えば、アルキレン基から隣り合った炭素原子の水素原子の2~5個を除いてできる二重結合を有する2価基が挙げられる。 A "C 2 -C 7 alkenylene group" is a straight-chain or branched alkenylene group having 2 to 7 carbon atoms and one or more double bonds in the chain. For example, it may be a divalent group having a double bond formed by removing 2 to 5 hydrogen atoms from adjacent carbon atoms of an alkylene group.

上記式(1)中、Yは、上述のように、共有結合による架橋反応であるクロスエンドカップリング反応によって網目構造ネットワークを形成させるための官能基であって、求核性官能基又は求電子性官能基から選択される。 In the above formula (1), Y1 is a functional group for forming a meshwork network by a cross-end coupling reaction, which is a crosslinking reaction by a covalent bond, as described above, and is selected from nucleophilic functional groups or electrophilic functional groups.

「求核性官能基」としては、限定されないが、例えば、ゲル化時間を短くできる観点からチオール基が好ましい。当該官能基は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。官能基が同一であることによって、架橋反応の対象となる求核性官能基との反応性が均一になり、均一な立体構造を有する高強度のゲルを得やすくなる。以下、求核性官能基を有するTetra-PEGを「求核性Tetra-PEG」という場合がある。 The "nucleophilic functional group" is not limited, but a thiol group is preferred, for example, from the viewpoint of shortening the gelation time. The functional groups may be the same or different, but it is preferable that they are the same. Having the same functional groups ensures uniform reactivity with the nucleophilic functional group that is the target of the crosslinking reaction, making it easier to obtain a high-strength gel with a uniform three-dimensional structure. Hereinafter, Tetra-PEG having a nucleophilic functional group may be referred to as "nucleophilic Tetra-PEG."

「求電子性官能基」としては、限定されないが、例えば、ゲル化時間を短くできる観点からマレイミジル基が好ましい。当該官能基は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。官能基が同一であることによって、架橋反応の対象となる求核性官能基との反応性が均一になり、均一な立体構造を有する高強度のゲルを得やすくなる。以下、求電子性官能基を有するTetra-PEGを「求電子性Tetra-PEG」という場合がある。 The "electrophilic functional group" is not limited, but a maleimidyl group is preferred, for example, from the viewpoint of shortening the gelation time. The functional groups may be the same or different, but it is preferable that they are the same. Having the same functional groups ensures uniform reactivity with the nucleophilic functional groups that are the target of the crosslinking reaction, making it easier to obtain a high-strength gel with a uniform three-dimensional structure. Hereinafter, Tetra-PEG having an electrophilic functional group may be referred to as "electrophilic Tetra-PEG."

求核性官能基と求電子性官能基のモル比は、0.5:1~1.5:1となるように求核性Tetra-PEGと求電子性Tetra-PEGを混合すればよい。当該官能基はそれぞれ1:1で反応して架橋し得るので、混合モル比は1:1に近いほど好ましいが、高い強度のハイドロゲルを形成させるには0.8:1~1.2:1が好ましい。また、第1又は第2溶液中の分散媒のpHが5~10のとき各溶液に含有されるTetra-PEGの濃度は0.3~20%の範囲であればよく、pH6~10のときは1.7~20%の範囲が好ましい。 Nucleophilic Tetra-PEG and electrophilic Tetra-PEG can be mixed so that the molar ratio of nucleophilic functional groups to electrophilic functional groups is 0.5:1 to 1.5:1. Because these functional groups can react and crosslink at a 1:1 ratio, a mixing molar ratio closer to 1:1 is preferable, but to form a high-strength hydrogel, a ratio of 0.8:1 to 1.2:1 is preferred. Furthermore, when the pH of the dispersion medium in the first or second solution is 5 to 10, the concentration of Tetra-PEG contained in each solution should be in the range of 0.3 to 20%, and when the pH is 6 to 10, a range of 1.7 to 20% is preferred.

第1溶液が求核性Tetra-PEG又は求電子性Tetra-PEGのいずれか一方のTetra-PEGで構成され、第2溶液が他方のTetra-PEGで構成されていてもよい。 The first solution may be composed of either nucleophilic Tetra-PEG or electrophilic Tetra-PEG, and the second solution may be composed of the other Tetra-PEG.

《第1溶液》
「第1溶液」とは、少なくとも側鎖及び/又は末端に1以上の、求核性官能基を有するポリエチレングリコール又は求電子性官能基を有するポリエチレングリコールのいずれか一方を骨格とする多分岐型ポリマー、及び、分散媒を構成要素として包含する水溶液であって、必要に応じて、細胞や細胞作用添加物を含むことができる。
First Solution
The "first solution" is an aqueous solution containing, as components, a multi-branched polymer having a skeleton of either polyethylene glycol having one or more nucleophilic functional groups at least on the side chains and/or ends or polyethylene glycol having one or more electrophilic functional groups, and a dispersion medium, and may contain cells or cell-active additives as necessary.

第1溶液は複数種存在してもよい。その場合、各第1溶液に含まれる側鎖及び/又は末端に1以上の、求核性官能基を有するポリエチレングリコール又は求電子性官能基を有するポリエチレングリコールのいずれか一方を骨格とする多分岐型ポリマー、分散媒、細胞、及び細胞作用添加物は、その全部又は一部が異なっていてもよい。例えば、第1溶液aに含まれる分散媒と第1溶液bに含まれる分散媒は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。第1溶液が複数種存在する場合、例えば、ハイドロゲルを積層形成させる際に、各層において分散媒を任意に変更することができる。 Multiple types of first solutions may be present. In this case, the hyperbranched polymer, dispersion medium, cells, and cell-interacting additives each containing a skeleton of either polyethylene glycol having one or more nucleophilic functional groups or polyethylene glycol having one or more electrophilic functional groups at the side chain and/or end may be different in whole or in part from each other. For example, the dispersion medium contained in first solution a and the dispersion medium contained in first solution b may be the same or different. When multiple types of first solutions are present, for example, when forming a layered hydrogel, the dispersion medium can be changed as desired in each layer.

《第2溶液》
「第2溶液」とは、ポリエチレングリコールを骨格とし、その側鎖及び/又は末端に1以上の第1溶液とは異なる方の官能基(求核性官能基又は求電子性官能基)を有する多分岐型ポリマー、及び分散媒を必須の構成要素として包含する水溶液であって、必要に応じて、細胞や細胞作用添加物を含むことができる。
Second Solution
The "second solution" is an aqueous solution containing, as essential components, a multi-branched polymer having a polyethylene glycol backbone and one or more functional groups (nucleophilic functional groups or electrophilic functional groups) at its side chains and/or ends that are different from those in the first solution, and a dispersion medium, and may contain cells or cell-active additives as necessary.

第2溶液は複数種存在してもよい。その場合、各第2溶液に含まれる側鎖及び/又は末端に1以上の求核性官能基又は求電子性官能基を有するポリエチレングリコールを骨格とする第1溶液とは異なる官能基の多分岐型ポリマー、分散媒、細胞、及び細胞作用添加物は、その全部又は一部が異なっていてもよい。例えば、第2溶液aに含まれる細胞と第2溶液bに含まれる細胞は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。 There may be multiple types of second solutions. In this case, the hyperbranched polymer with a different functional group from that of the first solution, which has a polyethylene glycol skeleton having one or more nucleophilic or electrophilic functional groups at its side chains and/or ends, the dispersion medium, the cells, and the cell-interacting additives contained in each second solution may be different in whole or in part from those contained in the first solution. For example, the cells contained in second solution a and the cells contained in second solution b may be the same or different.

《ゲル形成工程》
「ゲル形成工程」とは、第1溶液と第2溶液が混合することにより、それぞれに含まれるポリエチレングリコールを骨格とする多分岐型ポリマーが反応して、ハイドロゲルが形成される工程である。第1溶液と第2溶液のいずれか一方を液滴吐出装置で吐出してもよいし、第1溶液と第2溶液の双方を液滴吐出装置で吐出してもよい。
<Gel formation process>
The "gel formation process" is a process in which the first solution and the second solution are mixed together, causing a reaction between the hyperbranched polymers having a polyethylene glycol skeleton contained in each solution, thereby forming a hydrogel. Either the first solution or the second solution may be ejected using a droplet ejection device, or both the first solution and the second solution may be ejected using a droplet ejection device.

「液滴吐出装置」とは、液室中に収納された溶液を液滴にして射出し、対象部位に着弾させる手段である。吐出装置の吐出方法としてはインクジェット法、ゲル押し出し法のディスペンサ法などが挙げられる。インクジェット法では、溶液が吐出孔(ノズル)から射出される。吐出方法は、吐出孔からの微小な溶液(液滴と称すことがある)を吐出することが可能なため、高精度な三次元構造体を作製することができる。 A "droplet ejection device" is a means of ejecting droplets of a solution stored in a liquid chamber, causing them to land on a target site. Examples of ejection methods used by ejection devices include the inkjet method and the gel extrusion dispenser method. With the inkjet method, the solution is ejected from an ejection hole (nozzle). The ejection method is capable of ejecting minute amounts of solution (sometimes called droplets) from an ejection hole, making it possible to create highly accurate three-dimensional structures.

吐出される液滴の量は、任意の液量とすることができる。好ましくは、9pL以上、15pL以上、20pL以上、30pL以上、40pL以上、50以上、60pL以上、70pL以上、80pL以上、90pL以上、又は、100pL以上であり、900pL以下、800pL以下、700pL以下、600pL以下、500pL以下、400pL以下、300pL以下である。 The volume of the ejected droplets can be any volume. Preferably, it is 9 pL or more, 15 pL or more, 20 pL or more, 30 pL or more, 40 pL or more, 50 pL or more, 60 pL or more, 70 pL or more, 80 pL or more, 90 pL or more, or 100 pL or more, and 900 pL or less, 800 pL or less, 700 pL or less, 600 pL or less, 500 pL or less, 400 pL or less, or 300 pL or less.

「着弾」とは、溶液を標的部位に接触させることをいう。これは、吐出方法により標的部位に対して液滴を吐出することで達成される。溶液を吐出する位置は、特に制限されず、所望の標的位置に溶液が着弾するように吐出すればよい。また、それぞれの着弾部位は離れていてもよいし、一部が接触又は重なっていてもよい。 "Depositing" refers to bringing a solution into contact with a target site. This is achieved by ejecting droplets onto the target site using an ejection method. There are no particular restrictions on the location where the solution is ejected, as long as the solution is ejected so that it lands on the desired target site. Furthermore, the respective landing sites may be separated, or may be partially in contact or overlapping.

ゲル形成は、求核性官能基と求電子性官能基を有するポリエチレングリコールを骨格とする多分岐型ポリマーの反応によるため、第2溶液が第1溶液に着弾することでハイドロゲルが形成される。第2溶液を液滴吐出装置で吐出させた場合、1度の着弾で、ハイドロゲルは、限定はしないが、通常、ドット状ハイドロゲルとして形成され得る。本明細書において「ドット(形)状」とは、点状の形状をいう。したがって、真円形状や半球形状に限られず、略円形状や略半球形状の他、多角形状、略多角形状、不定形、又はそれらの組み合わせ等、いずれの形状であってもよい。また、ドット(形)状は、三次元構造的には、所定の長さと厚さを有していればよい。第2溶液が複数回吐出される場合は、ドット状ハイドロゲルを最小単位とする多彩な形状のハイドロゲルが形成される。 Gel formation occurs through a reaction between a hyperbranched polymer with a polyethylene glycol skeleton having nucleophilic and electrophilic functional groups, and therefore, a hydrogel is formed when the second solution lands on the first solution. When the second solution is ejected using a droplet ejection device, a single impact typically results in the formation of a dot-shaped hydrogel, although this is not limited to this. In this specification, "dot (shape)" refers to a point-like shape. Therefore, it is not limited to a perfect circle or hemisphere, and may include any shape, such as an approximately circular or approximately hemispherical shape, a polygonal shape, an irregular shape, or a combination thereof. Furthermore, the dot (shape) only needs to have a predetermined length and thickness in terms of its three-dimensional structure. When the second solution is ejected multiple times, a variety of hydrogel shapes, with dot-shaped hydrogels being the smallest unit, are formed.

1回の着弾による架橋反応で形成されるハイドロゲル、すなわちドット状ハイドロゲルの体積は、第2溶液の同一箇所への吐出回数に依存する。また、吐出孔径が大きいほど、同一箇所への吐出回数が増えるほどドット状ハイドロゲルの体積は大きくなる。したがって、同一箇所への吐出回数、吐出孔径を変えることで、ドット状ハイドロゲルの体積を調製することができる。限定はしないが、本明細書におけるドット状ハイドロゲルの体積は、9pL以上、15pL以上、20pL以上、30pL以上、40pL以上、50以上、60pL以上、70pL以上、80pL以上、90pL以上、又は100pL以上であり、900pL以下、800pL以下、700pL以下、600pL以下、500pL以下、400pL以下、300pL以下が好ましい。ドット状ハイドロゲルの直径は、限定はしないが、10μm以上300μm以下、厚さは5μm以上150μm以下の範囲であればよい。 The volume of the hydrogel formed by a crosslinking reaction resulting from a single impact, i.e., the dot-shaped hydrogel, depends on the number of times the second solution is dispensed onto the same location. Furthermore, the larger the nozzle diameter and the more times the solution is dispensed onto the same location, the larger the volume of the dot-shaped hydrogel. Therefore, the volume of the dot-shaped hydrogel can be adjusted by changing the number of times the solution is dispensed onto the same location and the nozzle diameter. While not limited to this, the volume of the dot-shaped hydrogel herein is 9 pL or more, 15 pL or more, 20 pL or more, 30 pL or more, 40 pL or more, 50 pL or more, 60 pL or more, 70 pL or more, 80 pL or more, 90 pL or more, or 100 pL or more, with 900 pL or less, 800 pL or less, 700 pL or less, 600 pL or less, 500 pL or less, 400 pL or less, and 300 pL or less being preferred. The diameter of the dot-shaped hydrogel is not limited, but should be in the range of 10 μm to 300 μm, and the thickness should be in the range of 5 μm to 150 μm.

第2溶液が任意回数吐出されるため、複数個のドット状ハイドロゲルが形成されることがある。ドット状ハイドロゲルは、全部又は一部が接触していてもよい。複数のドット状ハイドロゲルが連なって配置されることで、点状のみならず、任意形状のハイドロゲルを形成できる。形状は、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、1軸方向にドットを並べることで、線状ハイドロゲルを形成することができる。また、線状ハイドロゲルを隙間なく同一平面状に並べることで膜状(面状)ハイドロゲルを形成することもできる。 Since the second solution is ejected any number of times, multiple dot-shaped hydrogels may be formed. The dot-shaped hydrogels may be in contact with each other in whole or in part. By arranging multiple dot-shaped hydrogels in a series, it is possible to form hydrogels of any shape, not just dots. The shape can be selected appropriately depending on the purpose. For example, by arranging dots in one axial direction, it is possible to form linear hydrogels. Furthermore, by arranging linear hydrogels in the same plane without any gaps, it is possible to form a film-like (planar) hydrogel.

《除去工程》
「除去工程」は、ゲル形成工程後、基板上やハイドロゲル上に存在する未反応、すなわち未架橋の前記多分岐型ポリマーを除去する工程である。本工程は、選択工程であり、必要に応じて行えばよい。
《Removal process》
The "removal step" is a step of removing the unreacted, i.e., uncrosslinked, hyperbranched polymer present on the substrate or on the hydrogel after the gel formation step. This step is an optional step and may be performed as needed.

除去方法は、特に制限されず、形成されたハイドロゲルに物理的、生物学的、又は、化学的影響を与えない方法であれば、公知のいかなる除去方法を使用することもできる。通常行われる簡便な除去方法は、支持体又はハイドロゲルを適当な洗浄液で洗浄する方法である。 The removal method is not particularly limited, and any known removal method can be used as long as it does not have a physical, biological, or chemical effect on the formed hydrogel. A commonly used and simple removal method is to wash the support or hydrogel with an appropriate cleaning solution.

洗浄方法で使用する洗浄液は、ハイドロゲル及び細胞に影響を与えない溶液であれば、特に制限はない。pH、浸透圧等を考慮して、適宜定めればよい。好ましくは緩衝液又は培地等が挙げられる。 There are no particular restrictions on the cleaning solution used in the cleaning method, as long as it does not affect the hydrogel or cells. It can be selected appropriately taking into consideration factors such as pH and osmotic pressure. A buffer solution or culture medium is preferred.

洗浄方法は、支持体又はハイドロゲル上に洗浄液を掛け流してもよく、ハイドロゲルに対する物理的なダメージを軽減するために洗浄液中に浸漬する方法でもよい。洗浄は1度の工程で複数回行ってもよい。 The cleaning method may involve pouring a cleaning solution over the support or hydrogel, or immersing the support or hydrogel in the cleaning solution to reduce physical damage to the hydrogel. Cleaning may be performed multiple times in a single step.

(細胞接着性材料)
細胞接着性材料としては、例えば、細胞外基質から選ばれるタンパク質などが挙げられる。細胞外基質から選ばれるタンパク質としては、上述したものと同様である。細胞接着性材料は、液滴吐出装置で吐出して基板上に配置してもよい。液滴吐出装置については上述したものと同様である。
(Cell adhesive material)
Examples of the cell adhesive material include proteins selected from the extracellular matrix. Proteins selected from the extracellular matrix are the same as those described above. The cell adhesive material may be discharged using a droplet discharge device and placed on the substrate. The droplet discharge device is the same as that described above.

[神経回路モデル]
1実施形態において、本発明は、基板と、前記基板上に離散的に配置された複数の細胞集合体とを備え、前記複数の細胞集合体のそれぞれは神経細胞を含み、少なくとも2つの前記細胞集合体が機能的に結合している、神経回路モデルを提供する。本実施形態の神経回路モデルにおいて、細胞集合体のそれぞれは7~10,000個の細胞を含むことが好ましい。
[Neural circuit model]
In one embodiment, the present invention provides a neural circuit model comprising a substrate and a plurality of cell assemblies discretely arranged on the substrate, each of the plurality of cell assemblies including a neuron, and at least two of the cell assemblies being functionally connected. In the neural circuit model of this embodiment, each of the cell assemblies preferably includes 7 to 10,000 cells.

本実施形態の神経回路モデルは、生体内の神経細胞の活動状態を、インビトロで正確に再現できるものであり、脳機能の解明や、神経系疾患への毒性評価、創薬開発等に利用することができる。 The neural circuit model of this embodiment can accurately reproduce the activity of neurons in vivo in vitro, and can be used to elucidate brain function, evaluate toxicity to nervous system diseases, and develop new drugs.

本実施形態の神経回路モデルにおいて、基板、神経細胞については上述したものと同様である。また、細胞集合体同士が機能的に結合するとは、上述したものと同様であり、神経細胞が軸索と呼ばれる突起を伸ばし、別の神経細胞の樹状突起との間でシナプス結合を形成することをいう。この結果、神経回路が形成される。 In the neural circuit model of this embodiment, the substrate and neurons are the same as those described above. Furthermore, functional connection between cell assemblies is the same as that described above, and refers to a neuron extending a process called an axon and forming a synaptic connection with the dendrites of another neuron. As a result, a neural circuit is formed.

本実施形態の神経回路モデルにおいて、基板は、表面に細胞非接着性材料のパターンが配置されたものであってもよい。また、基板は、表面に細胞接着性材料のパターンが配置されたものであってもよい。 In the neural circuit model of this embodiment, the substrate may have a pattern of a non-cell-adhesive material arranged on its surface. Alternatively, the substrate may have a pattern of a cell-adhesive material arranged on its surface.

基板上の細胞集合体の配置のパターンや数は特に制限されず、例えば、サークル状であってもよいし、矩形状であってもよいし、格子状であってもよい。また、基板上に配置された細胞集合体同士の機能的な結合は、ランダムに結合していてもよいし、各細胞集合体を循環するように結合していてもよい。 The arrangement pattern and number of cell aggregates on the substrate are not particularly limited, and may be, for example, circular, rectangular, or lattice-shaped. Furthermore, the functional bonds between cell aggregates arranged on the substrate may be random, or may be bonded so that each cell aggregate is circulated.

[神経回路モデルの製造方法]
1実施形態において、本発明は、基板上に細胞接着性材料及び細胞非接着性材料を配置して細胞配置用微細構造を形成する細胞培養担体形成工程と、前記基材上に神経細胞を配置する細胞配置工程と、配置した神経細胞が沈降し、前記基板上に仮接着して細胞集合体を形成するまで静置する工程と、前記細胞集合体が形成された前記基板に培地を供給する培地添加工程と、前記細胞集合体を培養し、神経回路モデルを形成する培養工程を含む、神経回路モデルの製造方法を提供する。
[Method of manufacturing a neural circuit model]
In one embodiment, the present invention provides a method for producing a neural circuit model, comprising: a cell culture carrier formation step of arranging a cell-adhesive material and a cell-non-adhesive material on a substrate to form a microstructure for cell arrangement; a cell arrangement step of arranging neurons on the substrate; a step of leaving the arranged neurons to settle and temporarily adhere to the substrate to form a cell aggregate; a medium addition step of supplying medium to the substrate on which the cell aggregate has formed; and a culture step of culturing the cell aggregate to form a neural circuit model.

本実施形態の製造方法において、基板は、上述したものであってもよく、無孔の平板部材に多孔質部材が積層されたものであってもよい。無孔の平板部材としては、上述した基板の材質から形成されたものが挙げられ、より具体的には、例えば、培養皿、ガラス等が挙げられる。 In the manufacturing method of this embodiment, the substrate may be one of those described above, or may be a non-porous flat plate member with a porous member laminated on it. Examples of non-porous flat plate members include those made from the substrate materials described above, and more specifically, examples include culture dishes, glass, etc.

多孔質部材は、例えば多孔質メンブレンであってもよい。多孔質部材のポアサイズは、細胞が埋没しない大きさであることが好ましく、例えば1μm以下のポアサイズであることが好ましい。 The porous member may be, for example, a porous membrane. The pore size of the porous member is preferably large enough to prevent cells from becoming embedded therein, for example, a pore size of 1 μm or less.

図8は、本実施形態の製造方法のフロー図である。図8に示すように、まず、細胞培養担体形成工程において、基板上に細胞接着性材料及び細胞非接着性材料を配置して細胞配置用微細構造を形成する。細胞接着性材料、細胞非接着性材料については上述したものと同様である。 Figure 8 is a flow diagram of the manufacturing method of this embodiment. As shown in Figure 8, first, in the cell culture carrier formation process, a cell adhesive material and a cell non-adhesive material are placed on a substrate to form a microstructure for cell placement. The cell adhesive material and the cell non-adhesive material are the same as those described above.

続いて、細胞配置工程において、細胞配置用微細構造の細胞配置領域に細胞を配置する。細胞の配置はインクジェット法により行うことが好ましい。また、ここで、細胞配置用微細構造に複数種類の細胞を配置する場合には、全ての種類の細胞を配置する。 Next, in the cell placement process, cells are placed in the cell placement region of the cell placement microstructure. Cell placement is preferably performed by an inkjet method. Furthermore, if multiple types of cells are to be placed in the cell placement microstructure, all types of cells are placed.

本実施形態の製造方法において、乾燥抑制処置を行うことが好ましい。例えば、基板として多孔質構造を有する基板を用い、予め基板に培地等の液体を保持させた上で液溜りを形成すると、上記の多孔質構造により液体が保持されるため、液溜りの乾燥を抑制することができる。 In the manufacturing method of this embodiment, it is preferable to perform a drying prevention treatment. For example, if a substrate with a porous structure is used and a liquid such as a culture medium is held in the substrate beforehand, and then a liquid pool is formed, the liquid is held in the porous structure, preventing the liquid pool from drying out.

また、乾燥した基板に液滴を吐出して液溜りを形成する場合には、液溜り中の液体の蒸発を抑制する工程(乾燥抑制工程)を実施することにより、液溜りの形状維持及び細胞の基板上への接着を安定して実現することが可能となる。乾燥抑制工程としては、上述したものと同様の工程が挙げられる。乾燥抑制処置は、細胞配置工程の後に実施してもよく、細胞培養担体形成工程の前に実施してもよい。 Furthermore, when droplets are ejected onto a dried substrate to form a liquid pool, a process for suppressing evaporation of the liquid in the liquid pool (drying suppression process) can be carried out to maintain the shape of the liquid pool and stably achieve adhesion of cells to the substrate. Examples of the drying suppression process include the same processes as those described above. The drying suppression treatment may be carried out after the cell placement process or before the cell culture carrier formation process.

続いて、静置する工程において、全ての細胞が接着するまで静置する。続いて、培地添加工程において、培地を添加する。培地については上述したものと同様である。続いて、培養工程において、前記細胞集合体を培養し、神経回路モデルを形成する。 Next, in the leaving step, the cells are left to stand until all the cells have adhered. Next, in the medium addition step, medium is added. The medium is the same as that described above. Next, in the culture step, the cell aggregates are cultured to form a neural circuit model.

図9は、神経回路モデルの製造方法を説明する模式断面図である。図9に示すように、細胞培養担体930は、平板部材910に多孔質部材920が積層されたものである。 Figure 9 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a neural circuit model. As shown in Figure 9, the cell culture support 930 is made by laminating a porous member 920 on a flat plate member 910.

多孔質部材上に細胞配置用微細構造を形成する方法は特に限定されないが、図9の例では、上述した第1溶液940に多孔質部材920を浸漬させた後、平板部材910の上に配置し、インクジェットヘッドから第2溶液950を吐出している。 The method for forming a microstructure for cell placement on a porous member is not particularly limited, but in the example shown in Figure 9, the porous member 920 is immersed in the first solution 940 described above, then placed on a flat member 910, and the second solution 950 is ejected from an inkjet head.

第1溶液940と第2溶液950が反応すると、細胞非接着性材料であるハイドロゲル(Tetra-PEGゲル)960が形成される。第1溶液940と第2溶液950との反応は、例えば高湿度環境下で30分間静置することにより行うことができる。ここで、高湿度環境としては、相対湿度90%以上が好ましい。 When the first solution 940 and the second solution 950 react, a hydrogel (Tetra-PEG gel) 960, a cell non-adhesive material, is formed. The reaction between the first solution 940 and the second solution 950 can be carried out, for example, by leaving the mixture to stand for 30 minutes in a high-humidity environment. Here, a high-humidity environment with a relative humidity of 90% or higher is preferable.

続いて、細胞を配置する。図9の例では、インクジェット法により、上述した細胞インク970を吐出することにより、細胞980を配置している。このとき、多孔質部材920に培地が保持されていることにより、吐出された細胞インク970の微小液滴が着弾した際の衝撃を緩和し、細胞へのダメージを軽減させることができる。更に、多孔質部材920に培地が保持されていることにより、微小液滴が乾燥してしまうことを防ぐことができる。 Next, the cells are placed. In the example of Figure 9, the cells 980 are placed by ejecting the above-mentioned cell ink 970 using the inkjet method. At this time, the culture medium is held in the porous member 920, which reduces the impact when the ejected microdroplets of cell ink 970 land, thereby reducing damage to the cells. Furthermore, the culture medium is held in the porous member 920, which prevents the microdroplets from drying out.

次に実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will now be described in more detail using examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
(細胞の遊走の評価1)
基板に細胞を播種し、遊走の発生を評価した。基板としては、表面にマトリゲル(登録商標、コーニング社製)をコートしたスライドガラスを使用した。細胞としては、ラット褐色細胞腫由来の細胞株であるPC12細胞を使用した。細胞の播種はインクジェット法により行った。
[Experimental Example 1]
(Evaluation of cell migration 1)
Cells were seeded on the substrate and migration was evaluated. A glass slide coated with Matrigel (registered trademark, Corning) was used as the substrate. PC12 cells, a cell line derived from rat pheochromocytoma, were used. Cell seeding was performed using the inkjet method.

《細胞インクの調製》
まず、細胞を染色した。緑色蛍光染料(商品名:Cell Tracker Green、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を10mmol/L(mM)の濃度でジメチルスルホキシド(DMSO)へ溶解させ、培地と混合し、濃度10μmol/L(μM)の緑色蛍光染料含有培地を調製した。
Preparation of cell ink
First, the cells were stained by dissolving a green fluorescent dye (trade name: Cell Tracker Green, manufactured by Thermo Fisher Scientific) in dimethyl sulfoxide (DMSO) at a concentration of 10 mmol/L (mM) and mixing it with the medium to prepare a medium containing the green fluorescent dye at a concentration of 10 μmol/L (μM).

続いて、培養したPC12細胞のディッシュに緑色蛍光染料含有無血清培地を5mL添加し、インキュベーター(KM-CC17RU2、パナソニック株式会社製、37℃、5体積%CO環境)内で30分間培養した。その後、トリプシン処理によりディッシュから細胞を剥離させて、細胞懸濁液を得た。続いて、細胞懸濁液の一部をPMMA製プラスチックスライドに載せ、商品名:Countess Automated Cell Counter(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いて細胞数を計測した。 Next, 5 mL of serum-free medium containing green fluorescent dye was added to the dish of cultured PC12 cells, and the cells were cultured for 30 minutes in an incubator (KM-CC17RU2, Panasonic Corporation, 37°C, 5% CO2 by volume environment). The cells were then detached from the dish by trypsinization to obtain a cell suspension. A portion of the cell suspension was then placed on a PMMA plastic slide, and the cell number was counted using a Countess Automated Cell Counter (Thermo Fisher Scientific).

細胞インクの分散媒として、PBS(-)に、細胞乾燥抑制剤としてグリセリン(分子生物学用グレード、富士フイルム和光純薬株式会社製)を0.5質量%添加したものを使用した。PC12細胞を6×10個/mLとなるように分散媒へ分散させて、細胞インクを得た。 The dispersion medium for the cell ink was PBS(-) supplemented with 0.5% by mass of glycerin (molecular biology grade, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a cell drying inhibitor. PC12 cells were dispersed in the dispersion medium to a concentration of 6 x 10 cells/mL to obtain the cell ink.

《細胞の吐出》
図4の装置の細胞吐出ヘッドの液室に細胞インクを充填した。続いて、基板上に、細胞インクの液滴を吐出し、液溜りを配置した。液溜り1つあたりの直径は約200μmであった。また、基板上に配置された液溜り中には、液溜り1つあたり細胞が約100個含まれており、液溜り中の細胞密度は3×10個/cmであった。なお、液溜り中の細胞密度とは、基板上に配置された液溜りが、基板と接する面積あたりの細胞数をいう。
<Cell ejection>
The liquid chamber of the cell ejection head of the device shown in Figure 4 was filled with cell ink. Subsequently, droplets of the cell ink were ejected onto the substrate, forming pools. The diameter of each pool was approximately 200 μm. Each pool on the substrate contained approximately 100 cells, giving a cell density of 3 x 10 cells/ cm2 . The cell density in a pool refers to the number of cells per area where the pool on the substrate is in contact with the substrate.

図10(a)は細胞インクを吐出した直後の顕微鏡写真である。細胞インクの液滴を着弾し終えてから約10分間、相対湿度95%以上の高湿度環境で静置すると、液滴内の細胞が沈降し、基板上に仮接着して細胞集合体を形成した。続いて、培地を静かに加えた。図10(b)は培地を添加した直後の顕微鏡写真である。 Figure 10(a) is a micrograph taken immediately after the cell ink was ejected. After the droplets of cell ink had landed, they were left in a high-humidity environment of 95% or higher relative humidity for approximately 10 minutes, during which time the cells within the droplets settled and temporarily adhered to the substrate, forming cell aggregates. Next, culture medium was gently added. Figure 10(b) is a micrograph taken immediately after the culture medium was added.

《細胞の培養》
続いて、37℃、5体積%CO環境のインキュベーター内で1日間培養した。図10(c)は培養開始から1日後の細胞中のCell Tracker Greenの蛍光を観察した蛍光顕微鏡写真である。その結果、細胞が遊走し、吐出直後の位置から移動したことが明らかとなった。このような遊走が発生すると、細胞を所定の位置に留めておくことが困難である。
Cell culture
The cells were then cultured for one day in an incubator at 37°C and 5% CO2 by volume. Figure 10(c) shows a fluorescence microscope image of Cell Tracker Green fluorescence observed in the cells one day after the start of culture. The results revealed that the cells migrated and moved from their positions immediately after ejection. When this migration occurs, it becomes difficult to keep the cells in place.

[実験例2]
(細胞の遊走の評価2)
液溜り中の細胞数を変化させて基板に細胞を播種し、遊走の発生を評価した。基板としては、表面にマトリゲル(登録商標)をコートしたスライドガラスを使用した。細胞としては、PC12細胞を使用した。細胞の播種はインクジェット法により行った。
[Experimental Example 2]
(Evaluation of cell migration 2)
The number of cells in the pool was varied and cells were seeded onto the substrate to evaluate the occurrence of migration. A slide glass with a surface coated with Matrigel (registered trademark) was used as the substrate. PC12 cells were used. The cells were seeded using the inkjet method.

細胞インクの作製及び細胞の吐出は、実験例1と同様にして行った。但し、細胞の吐出において、液溜り中の細胞数を変化させた。具体的には、基板上に配置された液溜り1つあたり、1個以上3個未満(細胞密度2×10個/cm)、3~6個(細胞密度6×10個/cm)、7~11個(細胞密度1×10個/cm)の細胞を配置した。ここで、細胞密度とは、基板上に配置された液溜りが、基板と接する面積あたりの細胞数をいう。また、液溜り1つあたりの直径は100μmであった。 The cell ink was prepared and the cells were ejected in the same manner as in Experimental Example 1. However, the number of cells in the puddle was varied when ejecting the cells. Specifically, one to three cells (cell density: 2 x 104 cells/ cm2 ), three to six cells (cell density: 6 x 104 cells/ cm2 ), and seven to eleven cells (cell density: 1 x 105 cells/ cm2 ) were placed per puddle on the substrate. Here, cell density refers to the number of cells per area where the puddle placed on the substrate contacts the substrate. The diameter of each puddle was 100 μm.

続いて、37℃、5体積%CO環境のインキュベーター内で1日間培養し、倒立顕微鏡(型式「CKX41」、オリンパス株式会社製)を使用して個々の細胞を経時的に観察し、それぞれの細胞の遊走距離を測定した。図11は、培養開始から1日後の細胞の遊走距離の測定結果を示すグラフである。グラフの縦軸は遊走距離(μm)を示す。 The cells were then cultured for one day in an incubator at 37°C and 5% CO2 by volume. Individual cells were observed over time using an inverted microscope (model "CKX41," manufactured by Olympus Corporation) to measure the migration distance of each cell. Figure 11 is a graph showing the results of measuring the migration distance of cells one day after the start of culture. The vertical axis of the graph represents the migration distance (μm).

その結果、液溜り1つあたりの細胞数が7個以上であり、且つ、前記液溜り中の細胞密度が10個/cm以上であると、細胞の遊走が抑制されることが明らかとなった。 As a result, it was found that cell migration was suppressed when the number of cells per reservoir was 7 or more and the cell density in the reservoir was 10 5 cells/cm 2 or more.

[実験例3]
(神経細胞パターン制御)
基板に細胞非接着性材料のパターン及び細胞接着性材料のパターンを配置した。基板としては、スライドガラス上に直径13mmのポリエステル製多孔質培養メンブレン(商品名:ipCELLCULTURE Track Etched Membrane、ポアサイズ:0.45μm、ポア密度:4×10個/cm、厚さ:12 μm、it4ip社製)を積層したものを用いた。
[Experimental Example 3]
(neuron pattern control)
A pattern of a non-cell-adhesive material and a pattern of a cell-adhesive material were placed on a substrate. The substrate was a glass slide on which a 13 mm diameter polyester porous culture membrane (trade name: ipCELLCULTURE Track Etched Membrane, pore size: 0.45 μm, pore density: 4 × 10 6 cells/cm 2 , thickness: 12 μm, manufactured by it4ip) was laminated.

続いて、この基板に神経細胞を播種し、軸索の伸長を観察した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。図12は、基板に細胞非接着性材料のパターン及び細胞接着性材料のパターンを配置し、細胞を配置する手順を説明する模式図である。 Next, neurons were seeded onto this substrate, and axonal outgrowth was observed. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (Elixirgen Scientific) were used as the neurons. Figure 12 is a schematic diagram illustrating the procedure for placing patterns of non-cell-adhesive material and cell-adhesive material on the substrate, and then placing cells.

《第1溶液の調製》
Tetra-PEG-SH(商品名「SUNBRIGHT PTE-100SH」、油化産業式会社製)をPBS(-)に溶解後、平均孔径0.2μmのフィルター(商品名「Minisart Syringe Filter 175497K」、ザルトリウス社製)で濾過し、2%Tetra-PEG-SHを含む第1溶液を得た。
Preparation of First Solution
Tetra-PEG-SH (trade name "SUNBRIGHT PTE-100SH", manufactured by Yuka Sangyo Co., Ltd.) was dissolved in PBS(-) and then filtered through a filter having an average pore size of 0.2 μm (trade name "Minisart Syringe Filter 175497K", manufactured by Sartorius) to obtain a first solution containing 2% Tetra-PEG-SH.

《第2溶液の調製》
Tetra-PEG-マレイミジル(商品名「SUNBRIGHT PTE-100MA」、油化産業式会社製)及びマトリゲル(登録商標、コーニング社製)をPBS(-)に溶解し、平均孔径0.2μmのフィルターで濾過し、2%Tetra-PEG-マレイミジル及び1%マトリゲルを含む第2溶液を調製した。
Preparation of second solution
Tetra-PEG-maleimidyl (trade name "SUNBRIGHT PTE-100MA", manufactured by Yuka Sangyo Co., Ltd.) and Matrigel (registered trademark, manufactured by Corning Incorporated) were dissolved in PBS(-), and the solution was filtered through a filter with an average pore size of 0.2 μm to prepare a second solution containing 2% Tetra-PEG-maleimidyl and 1% Matrigel.

《パターン形成》
基板を第1溶液に浸漬して取り出し、基板上へ第1溶液の液相を形成した。続いてインクジェットヘッドの液室に第2溶液を充填し、基板上に、第2溶液を滴下し、幅が約200μmの線状のパターンを形成した。その結果、第1溶液に含まれるTetra-PEG-SHと、第2溶液に含まれるTetra-PEG-マレイミジルが、架橋してハイドロゲルのパターンを形成した。このハイドロゲルは細胞非接着性材料である。また、マトリゲル(登録商標)がコートされた部分は細胞接着性材料のパターンを形成した。続いて、基板をリン酸緩衝生理食塩水(ライフテクノロジーズ社製、以下、PBS(-)とも称する)に浸漬し、余剰な第1溶液及び第2溶液を取り除いた。
Pattern Formation
The substrate was immersed in the first solution and removed, forming a liquid phase of the first solution on the substrate. The second solution was then filled into the liquid chamber of the inkjet head, and the second solution was dropped onto the substrate to form a linear pattern approximately 200 μm wide. As a result, Tetra-PEG-SH contained in the first solution and Tetra-PEG-maleimidyl contained in the second solution crosslinked to form a hydrogel pattern. This hydrogel is a non-cell-adhesive material. Furthermore, the portion coated with Matrigel (registered trademark) formed a pattern of cell-adhesive material. The substrate was then immersed in phosphate-buffered saline (manufactured by Life Technologies, Inc.; hereinafter, also referred to as PBS(-)), and excess first and second solutions were removed.

《細胞インクの調製》
細胞にヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した点以外は実験例1と同様にして細胞インクを調製した。
Preparation of cell ink
Cell ink was prepared in the same manner as in Experimental Example 1, except that human iPS cell-derived GABAergic neurons (manufactured by Elixirgen Scientific) were used as the cells.

《細胞の吐出》
図1の装置の細胞吐出ヘッドの液室に細胞インクを充填した。続いて、基板上の細胞接着性材料のパターン上に、細胞インクの液滴を吐出し、液溜りを配置した。
<Cell ejection>
Cell ink was filled into the liquid chamber of the cell ejection head of the device shown in Figure 1. Subsequently, droplets of the cell ink were ejected onto the pattern of the cell adhesive material on the substrate, and a liquid pool was formed.

細胞インクの液滴を着弾し終えてから約30分間静置すると、液滴内の細胞が沈降し、基板上に仮接着して細胞集合体を形成した。続いて、培地を静かに加えた。 After the cell ink droplets had landed, they were left to stand for approximately 30 minutes, during which time the cells within the droplets settled and temporarily adhered to the substrate, forming cell aggregates. Culture medium was then gently added.

《細胞の培養》
続いて、37℃、5体積%CO環境のインキュベーター内で培養した。図13(a)は培養開始から4日後の細胞を観察した明視野顕微鏡写真である。スケールバーは100μmである。図13(b)、(c)は、基板上のCell Tracker Greenの蛍光を観察した蛍光顕微鏡写真である。スケールバーは100μmである。図13(d)は、細胞密度が低い領域のCell Tracker Greenの蛍光を観察した蛍光顕微鏡写真である。スケールバーは50μmである。
Cell culture
The cells were then cultured in an incubator at 37°C and 5% CO2 by volume. Figure 13(a) is a bright-field micrograph of cells four days after the start of culture. The scale bar is 100 μm. Figures 13(b) and 13(c) are fluorescent micrographs of Cell Tracker Green fluorescence on the substrate. The scale bar is 100 μm. Figure 13(d) is a fluorescent micrograph of Cell Tracker Green fluorescence in a low cell density region. The scale bar is 50 μm.

その結果、細胞は細胞非接着性材料のパターンが配置された領域には移動しないことが明らかとなった。また、軸索は、細胞非接着性材料のパターンを除く領域のみに形成されたことが明らかとなった。以上の結果から、基板上に細胞非接着性材料のパターンを配置することにより、神経細胞の軸索伸長を制御することができることが明らかとなった。 The results showed that cells did not migrate to areas where patterns of non-cell-adhesive material were placed. Furthermore, it was revealed that axons were formed only in areas excluding the patterns of non-cell-adhesive material. These results demonstrate that axonal outgrowth of nerve cells can be controlled by placing patterns of non-cell-adhesive material on a substrate.

[実験例4]
(神経細胞非パターン制御)
実験例3と同様の方法で細胞接着性材料のみを有する基板を作製した。続いて、実験例3と同様の方法で基板上の細胞接着性材料のパターン上に、細胞インクの液滴を吐出し、神経細胞を播種した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。
[Experimental Example 4]
(Non-pattern control of neurons)
A substrate having only the cell adhesive material was prepared in the same manner as in Experimental Example 3. Subsequently, droplets of cell ink were ejected onto the pattern of the cell adhesive material on the substrate, and neurons were seeded in the same manner as in Experimental Example 3. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (manufactured by Elixirgen Scientific) were used as the neurons.

続いて、37℃、5体積%CO環境のインキュベーター内で培養し、培養開始から7日後に神経細胞の軸索伸長を確認した。具体的には、まず、Calcein-AM(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)をDMSOで希釈したものを、終濃度が10μMになるよう培地中に添加し、37℃、5%CO環境下で30分間インキュベートした。続いて、神経細胞を蛍光顕微鏡で観察した。 The cells were then cultured in an incubator at 37°C and 5% CO2 by volume, and axonal outgrowth of the neurons was confirmed 7 days after the start of culture. Specifically, Calcein-AM (Thermo Fisher Scientific) diluted with DMSO was added to the medium to a final concentration of 10 μM, and the medium was incubated at 37°C and 5% CO2 for 30 minutes. The neurons were then observed under a fluorescence microscope.

図14は、神経細胞の蛍光顕微鏡写真である。スケールバーは200μmである。その結果、基板上に細胞非接着性材料のパターンを配置しなかった場合には、神経細胞の軸索伸長方向が制御されないことが確認された。 Figure 14 shows a fluorescence microscope photograph of a neuron. The scale bar is 200 μm. As a result, it was confirmed that when a pattern of non-cell-adhesive material was not placed on the substrate, the direction of neuronal axon outgrowth was not controlled.

[実験例5]
(神経回路モデルの作製1)
基材上の液溜りの直径、液溜り中の細胞密度、液溜り1つあたりの細胞数、細胞非接着性材料のパターンのサイズ、細胞接着性材料のパターンのサイズを下記表1に示す組み合わせで様々に変更し、神経回路モデルを作製し、評価した。基板としては10cmディッシュを使用した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。
[Experimental Example 5]
(Creating a neural circuit model 1)
Neural circuit models were fabricated and evaluated by varying the diameter of the liquid pools on the substrate, the cell density in the liquid pools, the number of cells per liquid pool, the pattern size of the non-cell-adhesive material, and the pattern size of the cell-adhesive material in various combinations as shown in Table 1 below. A 10 cm dish was used as the substrate. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (manufactured by Elixirgen Scientific) were used as the neurons.

図15(a)~(e)は、本実験例の手順を説明する模式図である。図15(a)~(d)は側面図であり、図15(e)は図15(b)の上面図である。図15(a)~(e)に示すように、細胞接着性材料を円形に配置し、細胞接着部を形成した。また、細胞接着部を囲むように細胞非接着性材料を配置し、細胞非接着部を形成した。細胞非接着部の形状は、接着性材料と同心の略ドーナツ形状であった。 Figures 15(a) to (e) are schematic diagrams explaining the procedure of this experimental example. Figures 15(a) to (d) are side views, and Figure 15(e) is a top view of Figure 15(b). As shown in Figures 15(a) to (e), the cell adhesive material was arranged in a circular shape to form a cell adhesive region. In addition, a non-cell adhesive material was arranged to surround the cell adhesive region to form a non-cell adhesive region. The shape of the non-cell adhesive region was a roughly donut shape concentric with the adhesive material.

図15(a)は、神経細胞を含む液滴を基板上に配置する工程を説明する模式図である。図15(b)は、複数の液滴が基板上に着弾して液溜りが形成された状態を説明する模式図である。液溜りの端部は細胞非接着部上に位置していてもよいが、細胞非接着部を超えないことが好ましい。図15(c)は、液溜り内の神経細胞が沈降し、基板上に仮接着して細胞集合体を形成した状態を説明する模式図である。図15(d)は、細胞集合体が形成された基板に培地を供給する工程を説明する模式図である。 Figure 15(a) is a schematic diagram illustrating the process of placing droplets containing neurons on a substrate. Figure 15(b) is a schematic diagram illustrating the state in which multiple droplets have landed on a substrate, forming a liquid pool. The edge of the liquid pool may be located on the non-cell-adhesive area, but it is preferable that it does not extend beyond the non-cell-adhesive area. Figure 15(c) is a schematic diagram illustrating the state in which neurons in the liquid pool have settled and temporarily adhered to the substrate, forming a cell aggregate. Figure 15(d) is a schematic diagram illustrating the process of supplying a culture medium to the substrate on which the cell aggregate has formed.

表1中、「液溜りの直径」は基材上に配置した液溜りの直径を示し、「細胞密度」は液溜り中の細胞密度を示し、「細胞数」は液溜り1つあたりの細胞数を示し、「非接着部の内径/外径」は細胞非接着部のドーナツ形状部分の内径及び外径を示し、「接着部の直径」は細胞接着部の直径を示し、「細胞の配置方法」は、細胞の配置をインクジェット法(IJ)により行ったか、手技により行ったかを示す。「細胞密度」は、基板上に配置された液溜りが、細胞接着部と接する面積あたりの細胞数とした。「N.D.」は測定不能であったことを示す。 In Table 1, "liquid pool diameter" refers to the diameter of the liquid pool placed on the substrate, "cell density" refers to the cell density in the liquid pool, "cell count" refers to the number of cells per liquid pool, "inner diameter/outer diameter of non-adhesive portion" refers to the inner and outer diameters of the donut-shaped portion of the cell non-adhesive portion, "diameter of adhesive portion" refers to the diameter of the cell adhesive portion, and "cell placement method" refers to whether the cells were placed by inkjet (IJ) or manual technique. "Cell density" refers to the number of cells per area where the liquid pool placed on the substrate comes into contact with the cell adhesive portion. "N.D." indicates that measurement was not possible.

細胞非接着性材料のパターンは、実験例3と同様にして、第1溶液に含まれるTetra-PEG-SH及び第2溶液に含まれるTetra-PEG-マレイミジルを架橋させて形成した。また、細胞接着性材料のパターンを形成する場合には、マトリゲル(登録商標、コーニング社)をインクジェットヘッドの液室に充填し、パターン状に吐出した。 The pattern of the non-cell-adhesive material was formed by crosslinking Tetra-PEG-SH contained in the first solution and Tetra-PEG-maleimidyl contained in the second solution, as in Experimental Example 3. To form a pattern of the cell-adhesive material, Matrigel (registered trademark, Corning Inc.) was filled into the liquid chamber of the inkjet head and ejected in a pattern.

神経回路モデルの評価項目として、液溜りの直径、細胞の初期配置、細胞の固定を評価した。表1に、これらの評価結果も示す。 The evaluation items for the neural circuit model were the diameter of the liquid pool, the initial cell positioning, and cell fixation. The results of these evaluations are also shown in Table 1.

液溜りの直径を500μm以下に制御することを目標としたが、手技では困難であった。なお、インクジェット法による細胞の配置では、液溜りの直径を500μmより大きく制御することも500μm以下に制御することも可能であった。 The goal was to control the diameter of the liquid pool to 500 μm or less, but this was difficult to achieve using manual techniques. However, when placing cells using the inkjet method, it was possible to control the diameter of the liquid pool to either greater than 500 μm or less than 500 μm.

細胞の初期配置の評価基準は次の通りであった。
-:細胞がランダムに配置された。
+:細胞の離散パターンが形成された。
The evaluation criteria for the initial placement of cells were as follows:
-: Cells were randomly arranged.
+: A discrete pattern of cells was formed.

また、細胞の固定の評価基準は次の通りであり、培養1~7日における細胞の遊走を評価した。
-:細胞が基板に配置した液滴より外側に遊走したか、ランダムな配置であった。
+:細胞が基板に配置した液滴の内側に留まった。
The evaluation criteria for cell fixation were as follows, and cell migration was evaluated on days 1 to 7 of culture.
-: Cells migrated outside the droplets placed on the substrate or were randomly placed.
+: Cells remained inside the droplets placed on the substrate.

その結果、実施例1~6の神経回路モデルでは、液溜りの直径、細胞の初期配置、細胞の固定の評価項目において良好な評価結果が得られた。一方、比較例1~6の神経回路モデルでは、液溜りの直径が500μmを超えていたか、又は、いずれかの評価項目の評価結果が不良であった。 As a result, the neural circuit models of Examples 1 to 6 obtained favorable evaluation results in the evaluation items of pool diameter, initial cell placement, and cell fixation. On the other hand, the neural circuit models of Comparative Examples 1 to 6 either had pool diameters exceeding 500 μm or had poor evaluation results in one of the evaluation items.

以上の結果から、基板に配置する液滴が、液滴1つあたり7個以上の細胞を含み、且つ、液滴中の細胞密度が10個/cm以上であると、前記液溜り1つあたりの直径を500μm以下にした場合であっても細胞を基板上に安定して配置することができることが明らかとなった。 From the above results, it was revealed that when the droplets placed on the substrate contain seven or more cells per droplet and the cell density in the droplet is 105 cells/ cm2 or more, cells can be stably placed on the substrate even when the diameter of each liquid pool is 500 μm or less.

[実験例6]
(神経回路モデルの作製2)
図16(a)~(d)は、細胞非接着性材料及び細胞接着性材料の双方を配置した、実験例の神経回路モデルの細胞の配置を示す模式図である。図16(a)及び(b)は側面図であり、図16(c)及び(d)は上面図である。図16(a)及び(c)は、細胞を配置した直後の状態を示し、図16(b)及び(d)は細胞培養後に、細胞集合体同士の間に軸索が伸長し、シナプスが形成された状態を示す。
[Experimental Example 6]
(Creating a neural circuit model 2)
Figures 16(a) to (d) are schematic diagrams showing the arrangement of cells in a neural circuit model of an experimental example in which both a non-cell-adhesive material and a cell-adhesive material were arranged. Figures 16(a) and (b) are side views, and Figures 16(c) and (d) are top views. Figures 16(a) and (c) show the state immediately after the cells were arranged, and Figures 16(b) and (d) show the state after cell culture in which axons have extended between cell aggregates and synapses have been formed.

本実験例では、図16(a)~(d)に示す神経回路モデルを作製した。細胞非接着性材料のパターンは、実験例3と同様にして、第1溶液に含まれるTetra-PEG-SH及び第2溶液に含まれるTetra-PEG-マレイミジルを架橋させて形成した。また、細胞接着性材料のパターンを形成する場合には、マトリゲル(登録商標、コーニング社)をインクジェットヘッドの液室に充填し、パターン状に吐出した。基板としては10cmディッシュを使用した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。その結果、神経回路モデルが得られた。 In this experimental example, the neural circuit model shown in Figures 16(a) to (d) was created. The pattern of the non-cell-adhesive material was formed by crosslinking Tetra-PEG-SH contained in the first solution and Tetra-PEG-maleimidyl contained in the second solution, as in Experimental Example 3. To form the pattern of the cell-adhesive material, Matrigel (registered trademark, Corning Incorporated) was filled into the liquid chamber of the inkjet head and ejected in a pattern. A 10 cm dish was used as the substrate. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (Elixirgen Scientific) were used as the neurons. As a result, a neural circuit model was obtained.

[実験例7]
(神経回路モデルの作製3)
図17(a)に示すように、2本の同心円形状に細胞非接着性材料を配置した基板に、図17(a)に示すパターンで神経細胞を配置し、神経回路モデルを作製した。細胞非接着性材料のパターンは、実験例3と同様にして、第1溶液に含まれるTetra-PEG-SH及び第2溶液に含まれるTetra-PEG-マレイミジルを架橋させて形成した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。
[Experimental Example 7]
(Creating a neural circuit model 3)
As shown in Figure 17(a), a neural circuit model was prepared by arranging neurons in the pattern shown in Figure 17(a) on a substrate on which a non-cell-adhesive material was arranged in two concentric circles. The pattern of the non-cell-adhesive material was formed by crosslinking Tetra-PEG-SH contained in the first solution and Tetra-PEG-maleimidyl contained in the second solution, as in Experimental Example 3. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (manufactured by Elixirgen Scientific) were used as the neurons.

図17(b)は細胞インクを吐出した直後の神経回路モデルの代表的な顕微鏡写真である。図17(b)中、「配置:+」は細胞の初期配置が良好であったことを示し、「配置:-」は細胞の初期配置が不良であったことを示す。 Figure 17(b) is a representative micrograph of a neural circuit model immediately after cell ink was ejected. In Figure 17(b), "Position: +" indicates that the initial cell positioning was good, and "Position: -" indicates that the initial cell positioning was poor.

細胞を良好に初期配置できる条件で配置した後、4週間培養し、軸索を伸長させて神経回路モデルを得た。図18は、神経回路モデルのCell Tracker Greenの蛍光を観察した蛍光顕微鏡写真である。 After arranging the cells under conditions that allowed for good initial placement, they were cultured for four weeks, allowing axons to extend and resulting in a neural circuit model. Figure 18 shows a fluorescent microscope photograph of the neural circuit model, showing the fluorescence of Cell Tracker Green.

[実験例8]
(神経回路モデルの作製4)
図19(a)及び(b)にそれぞれ示すように、基板上に細胞非接着性材料(Tetra-PEGゲル)を配置した。
[Experimental Example 8]
(Creating a neural circuit model 4)
As shown in Figures 19(a) and (b), a cell non-adhesive material (Tetra-PEG gel) was placed on a substrate.

基板としては、スライドガラス上に、実験例3におけるものと同様の第1溶液を含浸させた、直径13mmのポリエステル製多孔質培養メンブレン(商品名:ipCELLCULTURE Track Etched Membrane、ポアサイズ:0.45μm、ポア密度:4×10個/cm、厚さ:12μm、it4ip社製)を積層したものを用いた。 The substrate used was a slide glass on which a 13 mm diameter polyester porous culture membrane (trade name: ipCELLCULTURE Track Etched Membrane, pore size: 0.45 μm, pore density: 4 × 10 6 cells/cm 2 , thickness: 12 μm, manufactured by it4ip) impregnated with the same first solution as in Experimental Example 3 was laminated.

続いてインクジェットヘッドの液室に実験例3におけるものと同様の第2溶液を充填し、基板上に、第2溶液を滴下し、図19(a)及び(b)に示す幅が約200μmのパターンをそれぞれ形成した。 Then, the ink chamber of the inkjet head was filled with the same second solution as in Experimental Example 3, and the second solution was dropped onto the substrate to form patterns with a width of approximately 200 μm, as shown in Figures 19(a) and (b).

図19(a)に示すパターンでは、直線形状のパターンを6本形成した。これらの直線と直線の間の距離は約0.5mmであった。また、直線の長さは約5mmであった。図19(b)に示すパターンでは、同心円状の3本のパターンを形成した。各パターンの直径は中心から外側に向かって、それぞれ、約1mm、約2mm、約3mmであった。 In the pattern shown in Figure 19(a), six linear patterns were formed. The distance between these lines was approximately 0.5 mm. The length of each line was approximately 5 mm. In the pattern shown in Figure 19(b), three concentric circular patterns were formed. The diameters of each pattern, from the center outward, were approximately 1 mm, 2 mm, and 3 mm, respectively.

続いて、図19(a)及び(b)にそれぞれに示すパターンで2種類の神経細胞を配置し、神経回路モデルを作製した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)とPC12細胞を使用した。 Next, two types of neurons were arranged in the patterns shown in Figures 19(a) and (b), respectively, to create a neural circuit model. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (Elixirgen Scientific) and PC12 cells were used as the neurons.

細胞を良好に初期配置できる条件で配置した後、1週間培養し、神経突起を伸長させて神経回路モデルを得た。続いて、神経回路モデルを免疫染色により解析した。 After arranging the cells under conditions that allowed for good initial placement, they were cultured for one week, allowing neurites to extend and creating a neural circuit model. The neural circuit model was then analyzed by immunostaining.

まず、得られた各神経回路モデルをPBSで洗浄し、4℃の4%パラホルムアルデヒド(富士フイルム和光純薬社)で30分間固定した。固定後、PBSで1回洗浄し、1%ウシ血清アルブミン(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いて室温で20分ブロッキング処理を行った。ブロッキング後、PBSで1回洗浄し、1次抗体として、抗βIIIチューブリン抗体(シグマアルドリッチ社)及び抗チロシンヒドロキシラーゼ抗体(アブカム社)を、それぞれPBSで200倍に希釈した混合液を加え、4℃で一晩インキュベートした。 First, each neural circuit model obtained was washed with PBS and fixed for 30 minutes in 4% paraformaldehyde (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at 4°C. After fixation, the model was washed once with PBS and blocked for 20 minutes at room temperature using 1% bovine serum albumin (Thermo Fisher Scientific). After blocking, the model was washed once with PBS and a mixture of anti-βIII tubulin antibody (Sigma-Aldrich) and anti-tyrosine hydroxylase antibody (Abcam), each diluted 200-fold with PBS, was added as primary antibodies, and the model was incubated overnight at 4°C.

続いて、PBSで3回洗浄し、2次抗体として、APC標識ヤギ抗マウスIgG(H+L)抗体(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)及びアレクサフルオロ594標識ヤギ抗ウサギIgG(H+L)抗体(サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を、それぞれPBSで500倍に希釈した混合液を加え、室温で1時間インキュベートし、その後PBSで2回洗浄した。 Then, the sections were washed three times with PBS, and a mixture of APC-labeled goat anti-mouse IgG (H+L) antibody (Thermo Fisher Scientific) and Alexa Fluor 594-labeled goat anti-rabbit IgG (H+L) antibody (Thermo Fisher Scientific), each diluted 500-fold with PBS, was added as secondary antibodies, and the sections were incubated at room temperature for one hour, after which they were washed twice with PBS.

続いて、封止液(製品名「ProLong Diamond Antifade Mountain」、サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いてカバーガラスをサンプル上にかぶせて封入し、蛍光顕微鏡で観察した。 Next, the sample was sealed with a cover glass using sealing liquid (product name "ProLong Diamond Antifade Mountain", Thermo Fisher Scientific), and then observed under a fluorescence microscope.

図20(a)及び(b)は、得られた神経回路モデルの神経骨格であるβIIIチューブリンと、PC12のみで発現するチロシンヒドロキシラーゼの蛍光を観察した蛍光顕微鏡写真である。図20(a)は、図19(a)に示すパターンで神経細胞を配置した神経回路モデルの蛍光顕微鏡写真であり、図20(b)は、図19(b)に示すパターンで神経細胞を配置した神経回路モデルの蛍光顕微鏡写真である。 Figures 20(a) and (b) are fluorescence micrographs of the resulting neural circuit model, observing the fluorescence of βIII tubulin, the neuroskeleton, and tyrosine hydroxylase, which is expressed only in PC12. Figure 20(a) is a fluorescence micrograph of a neural circuit model in which neurons are arranged in the pattern shown in Figure 19(a), and Figure 20(b) is a fluorescence micrograph of a neural circuit model in which neurons are arranged in the pattern shown in Figure 19(b).

その結果、いずれのパターンで神経細胞を配置した神経回路モデルにおいても、βIIIチューブリンの蛍光が全細胞配置領域で観察された。また、神経突起が成長していることが確認された。また、チロシンヒドロキシラーゼの蛍光は、PC12細胞を配置した領域のみで観察され、細胞配置のパターンが維持されていることが確認された。 As a result, in both neural circuit models in which neurons were arranged in either pattern, βIII tubulin fluorescence was observed throughout the entire cell arrangement area. It was also confirmed that neurites were growing. Furthermore, tyrosine hydroxylase fluorescence was observed only in the area where PC12 cells were arranged, confirming that the cell arrangement pattern was maintained.

[実験例9]
(乾燥抑制プロセスの改善)
乾燥基板に細胞を播種し、液溜りの乾燥抑制と細胞定着の発生を評価した。基板としては、スライドガラスを使用した。細胞としては、ラット褐色細胞腫由来の細胞株であるPC12細胞を使用した。細胞の播種はインクジェット法により行った。
[Experimental Example 9]
(Improvement of the drying suppression process)
Cells were seeded on the dry substrate, and the inhibition of drying of the liquid pool and the occurrence of cell adhesion were evaluated. A glass slide was used as the substrate. PC12 cells, a cell line derived from rat pheochromocytoma, were used. The cells were seeded using the inkjet method.

《細胞インクの調製》
培養したPC12細胞のディッシュに緑色蛍光染料含有無血清培地を5mL添加し、インキュベーター(KM-CC17RU2、パナソニック株式会社製、37℃、5体積%CO環境)内で30分間培養した。その後、トリプシン処理によりディッシュから細胞を剥離させて、細胞懸濁液を得た。続いて、細胞懸濁液の一部を使用し、商品名:NucleoCounter NC-3000(ChemoMetec社製)を用いて細胞数を計測した。
Preparation of cell ink
5 mL of serum-free medium containing green fluorescent dye was added to the cultured PC12 cell dish and cultured for 30 minutes in an incubator (KM-CC17RU2, manufactured by Panasonic Corporation, 37°C, 5% CO2 by volume environment). The cells were then detached from the dish by trypsin treatment to obtain a cell suspension. Subsequently, a portion of the cell suspension was used to count the number of cells using a NucleoCounter NC-3000 (manufactured by ChemoMetec).

細胞インクの分散媒として、PBS(-)に、細胞乾燥抑制剤としてグリセリン(分子生物学用グレード、富士フイルム和光純薬株式会社製)を0.5質量%添加したものを使用した。PC12細胞を3×10個/mLとなるように分散媒へ分散させて、細胞インクを得た。 The dispersion medium for the cell ink was PBS(-) supplemented with 0.5% by mass of glycerin (molecular biology grade, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a cell drying inhibitor. PC12 cells were dispersed in the dispersion medium to a concentration of 3 x 10 cells/mL to obtain the cell ink.

《細胞の吐出》
図4の装置の細胞吐出ヘッドの液室に細胞インクを充填した。続いて、基板上に、細胞インクの液滴を吐出し、液溜りを配置した。液溜り1つあたりの直径は約400μmであった。また、基板上に配置された液溜り中には、液溜り1つあたり細胞が約100個含まれており、液溜り中の細胞密度は8×10個/cmであった。
<Cell ejection>
The liquid chamber of the cell ejection head of the device shown in Figure 4 was filled with cell ink. Subsequently, droplets of the cell ink were ejected onto the substrate, forming pools. Each pool had a diameter of approximately 400 μm. Each pool on the substrate contained approximately 100 cells, giving a cell density of 8 × 10 cells/cm .

図21(a)は細胞インクを吐出した直後に液溜りを生体適合性オイル(Oil for Embryo Culture、富士フイルム和光純薬株式会社製)で被覆し、乾燥を防止した液溜りの顕微鏡写真である。オイルで被覆することにより、37℃で60分間静置しても微小量の液溜りが乾燥することはなく、液滴内の細胞が沈降し、基板上に仮接着して細胞集合体を形成する事ができた。本手法は、PC12細胞に限らず多くの細胞種に適用することができる。 Figure 21(a) is a micrograph of a puddle of cell ink that was covered with biocompatible oil (Oil for Embryo Culture, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) immediately after ejection to prevent drying. By covering the droplet with oil, the tiny puddle did not dry out even when left to stand at 37°C for 60 minutes, and the cells within the droplet settled and temporarily adhered to the substrate, forming a cell aggregate. This method can be applied to many cell types, not just PC12 cells.

その後、オイルを静かに除去した上で培地を静かに加えた。図21(b)は培地を添加した直後の顕微鏡写真である。液溜りは微小量であるため、通常の実験室環境では数分で乾燥し、液溜りの体積が90%以上減少する。 The oil was then gently removed and the medium was gently added. Figure 21(b) shows a micrograph taken immediately after the medium was added. Because the liquid pool was a tiny volume, it would dry out in a few minutes in a typical laboratory environment, reducing the volume of the liquid pool by more than 90%.

実験例1~2のように高湿度環境で静置する方法、実験例3~8のように湿潤基板に液溜りを生成する方法等に加え、オイル等で液溜りを被覆することにより、乾燥した基板を用いた場合であっても、細胞の沈降、仮接着を安定して実施することが可能となることが確認された。 In addition to methods such as leaving the substrate in a high-humidity environment (Experimental Examples 1-2) and creating a liquid pool on a wet substrate (Experimental Examples 3-8), it was confirmed that covering the liquid pool with oil or the like makes it possible to stably perform cell sedimentation and temporary adhesion even when using a dry substrate.

続いて、液溜り1つあたりの細胞数、乾燥基板上の液溜りへの乾燥抑制処置の有無を下記表2に示す組み合わせで様々に変更し、参考例1~4の神経回路モデルを、それぞれ作製して評価した。基板としては、35mmディッシュを使用した。神経細胞としては、ヒトiPS細胞由来GABA作動性神経細胞(エリクサジェン・サイエンティフィック社製)を使用した。 Next, the number of cells per puddle and the presence or absence of drying-prevention treatment for the puddles on the dry substrate were varied in various combinations as shown in Table 2 below, and neural circuit models of Reference Examples 1 to 4 were fabricated and evaluated. A 35 mm dish was used as the substrate. Human iPS cell-derived GABAergic neurons (manufactured by Elixirgen Scientific) were used as the neurons.

下記表2中、「液溜りの乾燥抑制」は基材上に配置した液溜りへの乾燥抑制工程の有無と種類を示し、「液溜りの形状維持」は37℃で60分間静置後の液溜りの形状を維持していたか否かを示す。その他の項目は上記表1で示したものと同様である。「液溜りの形状維持」の評価基準は次の通りであった。
+:液溜りの形状が維持されていた。
-:液溜りが80%以上乾燥し細胞死が見られた。
In Table 2 below, "suppression of drying of puddle" indicates whether or not a drying suppression process was performed on the puddle placed on the substrate and the type of process, and "retention of shape of puddle" indicates whether or not the shape of the puddle was maintained after being left to stand at 37°C for 60 minutes. The other items are the same as those shown in Table 1 above. The evaluation criteria for "retention of shape of puddle" were as follows:
+: The shape of the liquid pool was maintained.
-: 80% or more of the liquid pool was dried up and cell death was observed.

本発明は、以下の態様を含む。
[1]細胞接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置された領域とを有する基板上に、神経細胞を含む複数の液滴をインクジェット法により配置して、1つ又は複数の液溜りを形成する工程と、前記液溜り内の前記神経細胞が沈降し、前記基板上に仮接着して細胞集合体を形成するまで静置する工程と、を含み、前記液溜り1つあたりの直径が500μm以下であり、前記液溜り1つあたりの神経細胞の密度が10個/cm以上である、神経細胞が配置された基板の製造方法。
[2]前記液溜り1つあたり7~10,000個の前記神経細胞を含む、[1]に記載の製造方法。
[3]前記液滴1つあたり1~50個の前記神経細胞を含む、[1]又は[2]に記載の製造方法。
[4]前記液滴が、前記細胞接着性材料に接して配置される、[1]~[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5]前記液溜り中の液体の蒸発を抑制する工程を更に含む、[1]~[4]のいずれかに記載の製造方法。
[6]前記細胞集合体が形成された基板に培地を供給する工程を更に含む、[1]~[5]のいずれかに記載の製造方法。
[7]前記液溜りを形成する工程において前記液溜りを複数形成し、前記静置する工程において前記細胞集合体を複数形成し、前記培地が供給された前記基板をインキュベートして、少なくとも2つの前記細胞集合体を機能的に結合させる工程を更に含む、[6]に記載の製造方法。
[8]前記基板が、前記細胞非接着性材料が配置された領域と、前記細胞非接着性材料が配置されていない領域とを有し、前記細胞非接着性材料が配置されていない領域が、線状形状を有しており、前記線状形状の幅が100μm以下である、[1]~[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]前記基板が多孔質構造を有する、[1]~[8]のいずれかに記載の製造方法。
The present invention includes the following aspects.
[1] A method for manufacturing a substrate on which neurons are arranged, comprising the steps of: arranging, by an inkjet method, a plurality of droplets containing neurons on a substrate having an area where a cell adhesive material is arranged and an area where a cell non-adhesive material is arranged, to form one or more liquid pools; and allowing the neurons in the liquid pools to settle and temporarily adhere to the substrate to form cell aggregates, wherein the diameter of each liquid pool is 500 μm or less, and the density of neurons per liquid pool is 105 cells/ cm2 or more.
[2] The manufacturing method described in [1], wherein each of the liquid reservoirs contains 7 to 10,000 of the nerve cells.
[3] The manufacturing method described in [1] or [2], wherein each droplet contains 1 to 50 of the nerve cells.
[4] The manufacturing method according to any one of [1] to [3], wherein the droplet is placed in contact with the cell adhesive material.
[5] The manufacturing method according to any one of [1] to [4], further comprising a step of suppressing evaporation of the liquid in the liquid pool.
[6] The manufacturing method described in any one of [1] to [5], further comprising a step of supplying a culture medium to the substrate on which the cell aggregates are formed.
[7] The manufacturing method described in [6] further includes a step of forming multiple liquid pools in the liquid pool forming step, forming multiple cell aggregates in the leaving step, and incubating the substrate supplied with the culture medium to functionally bond at least two of the cell aggregates.
[8] A manufacturing method described in any one of [1] to [7], wherein the substrate has an area where the non-cell-adhesive material is arranged and an area where the non-cell-adhesive material is not arranged, the area where the non-cell-adhesive material is not arranged has a linear shape, and the width of the linear shape is 100 μm or less.
[9] The manufacturing method according to any one of [1] to [8], wherein the substrate has a porous structure.

10…液滴吐出ヘッド、11,970…細胞インク、12,25…液室、13,28…メンブレン、14,26…駆動部、15…ノズル、16,27…加振部、17,24…大気開放部、21,22,23…インクジェットヘッド、31…ステージ部、液滴配置装置…400,500,600,700、910…平板部材、920…多孔質部材、930…細胞培養担体、940…第1溶液、950…第2溶液、960…細胞非接着性材料、980…細胞、Pj…吐出波形、Ps…免振波形。 10...droplet ejection head, 11,970...cell ink, 12,25...liquid chamber, 13,28...membrane, 14,26...drive unit, 15...nozzle, 16,27...vibration unit, 17,24...atmospheric opening unit, 21,22,23...inkjet head, 31...stage unit, droplet placement device...400,500,600,700, 910...flat plate member, 920...porous member, 930...cell culture support, 940...first solution, 950...second solution, 960...non-cell adhesive material, 980...cell, Pj...ejection waveform, Ps...vibration isolation waveform.

特開2019-162097号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-162097

Claims (9)

細胞接着性材料が配置された領域と、細胞非接着性材料が配置された領域とを有する基板上に、神経細胞を含む複数の液滴をインクジェット法により配置して、1つ又は複数の液溜りを形成する工程と、
前記液溜り内の前記神経細胞が沈降し、前記基板上に仮接着して細胞集合体を形成するまで静置する工程と、を含み、
前記液溜り1つあたりの直径が100μm以上500μm以下であり、
前記液溜り1つあたりの神経細胞の密度が10~10個/cmであり、
前記液滴は、前記細胞接着性材料が配置された領域と接するように配置され、前記神経細胞の密度は、前記液溜りが、前記細胞接着性材料が配置された領域と接する面積あたりの細胞数である、
神経細胞が配置された基板の製造方法。
a step of disposing, by an inkjet method, a plurality of droplets containing nerve cells on a substrate having an area where a cell adhesive material is disposed and an area where a cell non-adhesive material is disposed, to form one or a plurality of liquid pools;
and leaving the solution pool to stand until the nerve cells in the solution pool settle and temporarily adhere to the substrate to form a cell aggregate,
The diameter of each of the liquid pools is 100 μm or more and 500 μm or less,
the density of nerve cells per pool is 10 5 to 10 6 cells/cm 2 ;
the droplet is placed so as to be in contact with the region where the cell adhesive material is placed, and the density of the nerve cells is the number of cells per area where the droplet is in contact with the region where the cell adhesive material is placed.
A method for manufacturing substrates on which nerve cells are arranged.
前記液溜り1つあたり7~315個の前記神経細胞を含む、請求項1に記載の製造方法。 The manufacturing method described in claim 1, wherein each reservoir contains 7 to 315 of the neurons. 前記液滴1つあたり1~50個の前記神経細胞を含む、請求項1又は2に記載の製造方法。 The manufacturing method described in claim 1 or 2, wherein each droplet contains 1 to 50 of the neurons. 前記液滴が、前記細胞接着性材料に接して配置される、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method described in any one of claims 1 to 3, wherein the droplet is placed in contact with the cell adhesive material. 前記液溜り中の液体の蒸発を抑制する工程を更に含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method described in any one of claims 1 to 4 further includes a step of suppressing evaporation of the liquid in the liquid pool. 前記細胞集合体が形成された基板に培地を供給する工程を更に含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method described in any one of claims 1 to 5 further comprises a step of supplying a culture medium to the substrate on which the cell aggregates are formed. 前記液溜りを形成する工程において前記液溜りを複数形成し、
前記静置する工程において前記細胞集合体を複数形成し、
前記培地が供給された前記基板をインキュベートして、少なくとも2つの前記細胞集合体を機能的に結合させる工程を更に含む、請求項6に記載の製造方法。
forming a plurality of the liquid reservoirs in the step of forming the liquid reservoirs;
forming a plurality of cell aggregates in the standing step;
The method of claim 6 , further comprising the step of incubating the substrate supplied with the culture medium to functionally bond at least two of the cell aggregates.
前記基板が、前記細胞非接着性材料が配置された領域と、前記細胞非接着性材料が配置されていない領域とを有し、
前記細胞非接着性材料が配置されていない領域が、線状形状を有しており、
前記線状形状の幅が100μm以下である、請求項1~7のいずれか一項に記載の製造方法。
the substrate has an area where the non-cell-adhesive material is disposed and an area where the non-cell-adhesive material is not disposed,
the region where the non-cell-adhesive material is not disposed has a linear shape;
The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the width of the linear shape is 100 µm or less.
前記基板が多孔質構造を有する、請求項1~8のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method described in any one of claims 1 to 8, wherein the substrate has a porous structure.
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